Site Loader
Posted on 18.05.2022

Содержание

ТЕМА 1: ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ — Лекции по электронике

Лекции по электронике

Скачать все файлы (7003.6 kb.)

Доступные файлы (23):

n1.doc1018kb.26.03.2008 10:08скачать
n2.doc530kb.26.03.2008 10:08скачать
n3.doc565kb.26.03.2008 10:08скачать
n4.doc642kb.26.03.2008 10:08скачать
n5.doc1193kb.26.03.2008 10:08скачать
n6.doc570kb.26.03.2008 10:08скачать
n7.doc667kb.26.03.2008 10:08скачать
n8.doc735kb.26.03.2008 10:08скачать
n9.doc631kb.26.03.2008 10:08скачать
n10.doc393kb.26.03.2008 10:08скачать
n11.doc1364kb.26.03.2008 10:08скачать
n12.doc1269kb.26.03.2008 10:08скачать
n13.doc1441kb.26.03.2008 10:08скачать
n14.doc1079kb.26.03.2008 10:08скачать
n15.doc740kb.26.03.2008 10:08скачать
n16.doc37kb.26.03.2008 10:08скачать
n17.doc1133kb.26.03.2008 10:08скачать
n18.doc787kb.26.03.2008 10:08скачать
n19.doc420kb.26.03.2008 10:08скачать
n20.doc388kb.26.03.2008 10:08скачать
n21.doc599kb.26.03.2008 10:08скачать
n22.doc3938kb.26.03.2008 10:08скачать
n23. doc801kb.26.03.2008 10:08скачать

ТЕМА 1: ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ


    1. Полупроводниковые материалы

Все твердые вещества по своим электрическим свойствам разделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками электрического тока) и диэлектриками. Удельное электрическое сопротивление проводников составляет ? = 10-4 Ом ∙ см, полупроводников – ? = 10-4 – 1010 Ом ∙ см, диэлектриков – ? = 1010 Ом ∙ см и выше.

Для изготовления полупроводниковых приборов в настоящее время используют помимо германия и кремния некоторые химические соединения, например арсенид галлия, окись титана, антимонид индия, фосфид индия и др. Наиболее широко применяют кремний и германий.

Германий и кремний – элементы четвертой группы периодической системы Д. И. Менделеева, т.е. являются четырехвалентными элементами. В валентной зоне каждого атома германия и кремния имеется по четыре валентных электрона. Германий и кремний имеют атомные кристаллические решетки. Связь между атомами в таких решетках парноэлектронная или ковалентная. Каждый атом в них связан с соседним двумя электронами – по одному от каждого атома.

Схематическое изображение кристалла германия на плоскости показано на рис.1. Каждый атом в монокристалле германия окружен четырьмя соседними атомами, с которыми он связан парноэлектронными связями. В результате валентная оболочка каждого атома имеет восемь электронов, т. е. оказывается полностью заполненной. В таком кристалле все валентные электроны связаны между собой прочными парноэлектронными связями. Свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет.

Чистые полупроводники при нуле абсолютной температуры (Т = 0єК) являются идеальными диэлектриками.

Однако в нормальных условиях, при комнатной температуре, некоторые валентные электроны кристаллической решетки получают энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи, т. е. для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие разрыва одной парноэлектронной связи образуются два носителя заряда: электрон и дырка.

Рисунок 1

Электрон, как известно, является носителем элементарного отрицательного заряда. При разрыве парноэлектронной связи электрон отрывается от атома, после чего одна связь в атоме оказывается незаполненной – свободной.

Незаполненная электронная связь в кристаллической решетке полупроводника называется дыркой. Дырка обладает положительным зарядом, по абсолютной величине равным заряду электрона, и, следовательно, является носителем положительного заряда.

Дырка может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседнего атома. Процесс заполнения электроном дырки называется рекомбинацией. При этом в соседнем атоме на месте ушедшего электрона образуется новая дырка.

В обычных условиях, т. е. при комнатной температуре, процесс возникновения пары электрон – дырка и рекомбинация происходят непрерывно. В результате устанавливается динамическое равновесие, при котором в чистом полупроводнике концентрация электронов равна концентрации дырок.

Наличие носителей зарядов в полупроводнике объясняет его проводимость. Проводимость чистого полупроводника, обусловленная электронами и дырками, возникающими только в результате разрыва парноэлектронных связей, называется собственной проводимостью.

При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в объеме полупроводника беспорядочно. Если же к полупроводнику приложить напряжение, то в нем возникает упорядоченное движение электронов в одном направлении и дырок в другом – противоположном направлении. Через полупроводник протекает ток, который равен сумме токов электронного In и дырочного Ip, т. е.
I = In+ Ip. (1.1)
Ток, протекающий в полупроводнике при равновесной концентрации носителей зарядов (электронов и дырок), называется дрейфовым током или током проводимости.

Плотность дрейфового тока определяет удельную электропроводность полупроводников ?. Так, для германия удельная электропроводность
?Ge = 2 ∙ 10-2 Ом-1 ∙ см-1,

а для кремния

?Si = 4 ∙ 10-6 Ом-1 ∙ см-1,

т. е. ?Ge>>?Si.

С повышением температуры удельная электропроводность увеличивается по экспоненциальному закону.

Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником і— типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, складывается из электронной и дырочной электропроводности.

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной.

Для получения полупроводника с электронной электропроводностью в чистый полупроводник – германий или кремний – вводят небольшое количество элемента пятой группы периодической системы элементов: сурьмы (Sb), мышьяка (As), фосфора (P). Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами (рис. 2) образуя прочные парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон, например атома мышьяка, в образовании парноэлектронной связи не участвует. Поэтому он оказывается слабо связанным со своим атомом и может быть легко оторван от него. В результате он превращается в свободный электрон, который может свободно перемещаться в объеме полупроводника, создавая электронную проводимость.

Атом мышьяка, потерявший один электрон, превращается в положительный ион, который оказывается неподвижным, так как он прочно удерживается в узле кристаллической решетки парноэлектронными связями.

Подвижные носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными носителями зарядов.

Элементы, атомы которых отдают свои электроны, создавая в полупроводнике избыток свободных электронов, называются донорами.

Обычно донорами для германия являются мышьяк и сурьма, а для кремния – фосфор и сурьма.

В полупроводнике с донорными примесями электроны являются основными носителями зарядов, а дырки – не основными.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избыточных свободных электронов, называется электронной проводимостью.

Полупроводник, в котором основными носителями зарядов являются электроны, называется электронным полупроводником или полупроводником n— типа.

Для получения полупроводника с дырочной электропроводностью в кристалл чистого германия вводят примеси трехвалентных элементов: индий (In) и галлий (Ga) для германия; бор (В) и алюминий (Al) для кремния. При этом три валентных электрона, например индия, образуют три парноэлектронные связи с соседними атомами германия. В результате теплового движения электрон одного из соседних атомов германия может перейти в незаполненную связь атома индия. В атоме германия появится одна незаполненная связь – дырка (рис. 3). Захваченный атомом индия, четвертый электрон образует парноэлектронную связь и прочно удерживается атомом индия. Атом индия становится при этом неподвижным отрицательным ионом.

Примеси, атомы которых захватывают и прочно удерживают электроны атомов полупроводника, называются акцепторными или акцепторами.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избытка подвижных дырок, т. е. превышением их концентрации над концентрацией электронов, называется дырочной проводимостью или проводимостью р- типа.

Основными носителями зарядов в полупроводнике с акцепторной примесью являются дырки, а не основными – электроны.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками р- типа.

Рисунок 2 Рисунок 3
Электрический ток в полупроводнике может быть вызван двумя причинами:

— действием внешнего электрического поля;

— неравномерным распределением концентрации носителей зарядов по объему полупроводника.

Направленное движение подвижных носителей зарядов под воздействием электрического поля называют дрейфом (дрейфовое движение), а под воздействием разности концентраций носителей зарядов – диффузией (диффузионное движение). Неравномерность концентрации зарядов в какой-либо части полупроводника может возникнуть под действием света, тепла электрического поля и др.

В зависимости от характера движения носителей зарядов различают соответственно дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.
1.2 Электронно — дырочный переход (p — n — переход)
Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно — дырочным переходом или p—n— пе-реходом.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители зарядов в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Из полупроводника n— типа в полупроводник р- типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р- типа в полупроводник n— типа диффундируют дырки (рис.4, б). В результате диффузии носителей зарядов по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд, который образован положительно заряженными атомами донорной примеси. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси.

а)

б)

Рисунок 4
Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов: uK= ?n – ?p и электрическое поле, направленное от n— области к p— области.

Как видно, в p—n— переходе возникает потенциальный барьер, который препятсвует диффузии основных носителей зарядов.

Высота потенциального барьера равна контактной разнице потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях, при этом толщина p—n— перехода d уменьшается. Для германия, например, при средней концентрации примесей uK= 0,3 – 0,4 В и d = 10-4 – 10-5 см, а при больших концентрациях – uК ?0,7 В и d = 10-6 см. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Такое перемещение не основных носителей зарядов называется дрейфовым.

При отсутствии внешнего электрического поля через p—n— переход протекают два тока: ток диффузии и ток дрейфа.

Ток диффузии и ток дрейфа через p—n— переход протекают навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Суммарный ток через p—n— переход равен нулю.

При образовании контактной разности потенциалов по обе стороны границы раздела полупроводников образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей зарядов. Он обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем. Толщина его несколько микрон.

Внешнее напряжение U, приложенное плюсом к p— области p—n— перехода, а минусом к n— области, называется прямым напряжением Uпр.

Если к p—n— переходу приложено внешнее прямое напряжение Uпр, то создаваемое им внешнее электрическое поле Eпр оказывается направленным навстречу электрическому полю p—n— перехода –Eк. В результате этого высота потенциального барьера понижается на величину внешнего напряжения. Одновременно уменьшается толщина запирающего слоя (dпр p—n— переход из p— и n— областей.

Рисунок 5
При прямом напряжении Iдиф > Iдр и поэтому полный ток через переход т.е. прямой ток, уже не равен нулю:

Iпр = Iдиф ? Iдр > 0. (1.2)
Ток, протекающий через p—n— переход под действием приложенного к нему прямого внешнего напряжения, называется прямым током. Протекающий через p—n— переход прямой ток направлен из p— области в n— область.

Введение носителей зарядов через p—n— переход при действии прямого внешнего напряжения в область полупроводника, где эти носители являются не основными, называется инжекцией.

Внешнее напряжение, приложенное “плюсом“ источника питания к n— области p—n— перехода, а “минусом“ к p— области называется обратным.

Рисунок 6
Под действием обратного напряжения Uобр через переход протекает очень небольшой обратный ток Iобр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением Eобр, складывается с полем контактной разности потенциалов Eк. В результате этого потенциальный барьер повышается, а толщина самого запирающего слоя увеличивается (dобр > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т. е. Rобр >> Rпр.

Внешнее поле оттягивает основные носители зарядов от p—n— перехода. Перемещение свободных носителей зарядов через p—n—переход уменьшается, и при обратном напряжении, равном Uобр = 0,2В, ток диффузии через переход прекращается, т.е. Iдиф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления потенциального барьера. Однако не основные носители будут перемещаться через p—n— переход, создавая ток, протекающий из n—области в p— область (обратный ток Iобр). Он является дрейфовым током (током проводимости) не основных носителей через p—n— переход. Значительное элек-трическое поле, создаваемое обратным напряжением, перебрасывает через p—n— переход любой не основной носитель заряда, появившийся в этом поле.

Выведение не основных носителей через p—n— переход электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей зарядов.

Таким образом, p—n— переход пропускает ток в одном направлении – прямом, и не пропускает ток в другом направлении – обратном, что определяет вентильные свойства p—n— перехода.

Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) p—n— перехода называется зависимость тока, протекающего через p—n— переход от приложенного внешнего напряжения I = f(U) (рис.7).

Рисунок 7 – Вольт-амперная характеристика p—n— перехода: 1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое
Прямую 1 и обратную 2 ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p—n— перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого.

При достижении обратным напряжением некоторой критической величины Uпроб происходит резкое уменьшение сопротивления p—n— перехода. Это явление называется пробоем p—n— перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробой. Электрический пробой (участок АБВ характеристики) является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Могут существовать два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для p—n— переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105В/см, действующем в p—n— переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Области теплового пробоя соответствует на рис. 7 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, т.к. он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p—n— перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима p—n— перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количества теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

Рисунок 8 – Вольт-амперная характеристика p—n—перехода: 1 – при 20°С; 2 – при 50°С

На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей зарядов, т. е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. При повышении температуры прямой и обратный ток растут.

Для p—n— переходов на основе германия обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°C; на основе кремния – при нагреве на каждые 10°C обратный ток увеличивается примерно в 2,5 раза. Прямой ток при нагреве p—n— перехода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.
Барьерная (зарядная) и диффузионная емкость p—n— перехода

Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +Qобри ? Qобр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому p—n—переход обладает емкостью. Эту емкость называют барьерной емкостью.

При прямом напряжении кроме барьерной емкости существует диффузионная емкость. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей зарядов в p— и n— областях при прямом напряжении на переходе, когда носители зарядов в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в p— и n— областях.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной.

Рисунок 9 – Зависимость емкости p—n—перехода от приложенного напряжения

Полевой транзистор

Мощный полевой транзистор с каналом N-типа

Полево́й (униполя́рный) транзи́стор — 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 уходят из канала, называется стоком, электрод, на который подается управляющее напряжение, называется затвором.

Содержание

  • 1 История создания полевых транзисторов
  • 2 Классификация полевых транзисторов
    • 2.1 Транзисторы с управляющим p-n-переходом
    • 2.2 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
      • 2.2.1 МДП-транзисторы с индуцированным каналом
      • 2.2.2 МДП-транзисторы со встроенным каналом
      • 2.2.3 МДП-структуры специального назначения
  • 3 Схемы включения полевых транзисторов
  • 4 Области применения полевых транзисторов
  • 5 Схемы
  • 6 См. также
  • 7 Примечания
  • 8 Литература

История создания полевых транзисторов

Схема полевого транзистора

В 1953 году Джордж Клемент Дейси 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.) (рус. 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.

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, причём 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. 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.
VGS{\displaystyle V_{GS}} — напряжение затвор-исток;
VDS{\displaystyle V_{DS}} — напряжение сток-исток;
IDS{\displaystyle I_{DS}} — ток стока или истока;
VP{\displaystyle V_{P}} — запирающее напряжение затвора, или напряжение отсечки.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом[1] (JFET) — это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например, n-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 — p-типом.

Источник постоянного смещения, включенный во входную цепь, создаёт 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, включённой последовательно к каналу полевого транзистора и источнику питания, осуществляется изменением входного напряжения, вследствие чего изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что ведёт к изменению толщины запирающего (обеднённого) слоя. При некотором запирающем напряжении VP{\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 ёмкости 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

Основная статья: МОП-транзистор

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 сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между 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 SiO

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 10

7…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 (UЗИпор).

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 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 обеднённый основными носителями слой (эффект поля) и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе больших UЗИпор у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который является каналом p-типа, соединяющим исток со стоком. Поперечное сечение канала будет изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания.

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 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. {2}} — 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[2].

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[3][4].

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 создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера[5].

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 даёт большое усиление по мощности. Но, с другой стороны, этот каскад наиболее низкочастотный из-за вредного влияния эффекта Миллера и существенной входной ёмкости затвор-исток (Сзи).

Схема с ОЗ аналогична схеме с общей базой (ОБ). В этой схеме ток стока равен току истока, поэтому она не даёт 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 ёмкость 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 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 электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт 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 всё 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.

Схемы

См. также

  • КМОП
  • Спиновый полевой транзистор
  • Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Примечания

  1. ↑ И.  П. Жеребцов. Основы электроники. Изд. 5-е. — Л., 1989. — С. 114.
  2. ↑ Дьяконов, 2004.
  3. ↑ Бачурин, Ваксембург, Дьяконов и др., 1994.
  4. ↑ Дьяконов, Максимчук, Ремнев, Смердов, 2002.
  5. ↑ Li, 2006.

Литература

  • Дьяконов В. П. Intel. Новейшие информационные технологии. Достижения и люди. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 416 с. — ISBN 5980031499.
  • Бачурин В. В., Ваксембург В. Я., Дьяконов В. П. и др. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник / Дьяконов В. П.. — М.: Радио и связь, 1994. — 280 с.
  • Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / Дьяконов В. П.. — М.: СОЛОН-Р, 2002. — 512 с.
  • Li, Sheng S. Semiconductor Physical Electronics. — Second Edition. — Springer, 2006. — 708 с. — ISBN 978-0-387-28893-2.
  • Немчинов В. М., Никитаев В. Г., Ожогин М. А. и др. Усилители с полевыми транзисторами / Степаненко И. П.. — М.: Советское радио, 1980. — 192 с.

Ионочувствительный полевой транзистор для биологических датчиков

1. Шёнинг М., Погосян А. Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET) Analyst. 2002; 127:1137–1151. [PubMed] [Google Scholar]

2. Кимура Дж., Ито Н., Курияма Т., Кикучи М., Араи Т., Негиши Н., Томита Ю. Новый метод мониторинга уровня глюкозы в крови с применением биосенсора ISFET для чрескожной выпотная жидкость. Дж. Электрохим. соц. 1989; 136: 1744–1747. [Академия Google]

3. Бергвельд П. Разработка ионно-чувствительного твердотельного прибора для нейрофизиологических измерений. IEEE транс. Биомед. англ. 1970; 17: 70–71. [PubMed] [Google Scholar]

4. Карас С., Джаната Дж. Полевой транзистор, чувствительный к пенициллину. Анальный. хим. 1980; 52: 1935–1937. [Google Scholar]

5. Седра А., Смит К. Микроэлектронные схемы. Издательство Оксфордского университета; Кэри, Северная Каролина, США: 2004. [Google Scholar]

6. Pijanowska D., Torbicz W. Биосенсоры для биоаналитических приложений. Бык. пол. акад. науч. — Тех. науч. 2005; 53: 251–260. [Академия Google]

7. Шёнинг М., Погосян А. Био ФЭД (полевые устройства): современное состояние и новые направления. Электроанализ. 2006; 18:1893–1900. [Google Scholar]

8. Ингебрандт С., Хан Ю., Накамура А., Погоссян А., Шёнинг М.Дж., Оффенхауссер А. Обнаружение однонуклеотидных полиморфизмов без использования меток с использованием дифференциальной передаточной функции полевых транзисторов. Биосенс. Биоэлектрон. 2007; 22: 2834–2840. [PubMed] [Google Scholar]

9. Отаке Т., Хамаи С., Уно Т., Табата Х., Каваи Т. Иммобилизация ДНК-зонда на Ta 2 O 5 Тонкая пленка и обнаружение гибридизованной спирали ДНК с использованием IS-FET. Япония. Дж. Заявл. физ. 2004; 43: L1137–L1139. [Google Scholar]

10. Фриц Дж., Купер Э., Годе С., Зоргер П., Маналис С. Электронное обнаружение ДНК по ее внутреннему молекулярному заряду. проц. Натл. акад. науч. США. 2002;99:14142–14146. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

11. Kim D., Jeong Y., Lyu H., Park H., Kim H., Shin J., Choi P., Lee J., Lim G. ., Исида М. Изготовление и характеристики датчика заряда полевого транзистора для обнаружения последовательности дезоксирибонуклеиновой кислоты. Япония. Дж. Заявл. физ. 2003;42:4111–4115. [Академия Google]

12. Шин Дж., Ким Д., Парк Х., Лим Г. Обнаружение ДНК и белковых молекул с использованием биосенсора типа FET с золотом в качестве металла затвора. Электроанализ. 2004; 16:1912–1918. [Google Scholar]

13. Kim D., Jeong Y., Park H., Shin J., Choi P., Lee J., Lim G. Датчик заряда полевого транзистора для высокочувствительного обнаружения последовательности ДНК. Биосенс. Биоэлектрон. 2004; 20: 69–74. [PubMed] [Google Scholar]

14. Kim D. , Park H., Jung H., Shin J., Jeong Y., Choi P., Lee J., Lim G. Использование бимолекулярного датчика на основе полевого транзистора электрод сравнения Pt для обнаружения последовательности дезоксирибонуклеиновой кислоты. Япония. Дж. Заявл. физ. 2004; 43:3855–3859.. [Google Scholar]

15. Uslu F., Ingebrandt S., Mayer D., Böcker-Meffert S., Odenthal M., Offenhäusser A. Безэтикеточная полностью электронная система обнаружения нуклеиновых кислот на основе полевого транзистора. Биосенс. Биоэлектрон. 2004;19:1723–1731. [PubMed] [Google Scholar]

16. Pouthas F., Gentil C., Cote D., Zeck G., Straub B., Bockelmann U. Электронное обнаружение биополимеров с пространственным разрешением. физ. Преподобный Е. 2004; 70:31906. [PubMed] [Google Scholar]

17. Uno T., Ohtake T., Tabata H., Kawai T. Прямое обнаружение дезоксирибонуклеиновой кислоты с помощью ионочувствительных полевых транзисторов на основе пептидной нуклеиновой кислоты. Япония. Дж. Заявл. физ. 2004; 43: L1584–L1587. [Академия Google]

18. Саката Т., Камахори М., Мияхара Ю. Иммобилизация олигонуклеотидных зондов на поверхности Si3N4 и ее применение в генетическом полевом транзисторе. Мат. науч. англ. С. 2004; 24: 827–832. [Google Scholar]

19. Саката Т., Камахори М., Мияхара Ю. Чип для анализа ДНК на основе полевых транзисторов. Япония. Дж. Заявл. физ. 2005; 44: 2854–2859. [Google Scholar]

20. Саката Т., Мацумото С., Накадзима Ю., Мияхара Ю. Возможное поведение биохимически модифицированного золотого электрода для полевого транзистора с расширенным затвором. Япония. Дж. Заявл. физ. 2005; 44: 2860–2863. [Академия Google]

21. Саката Т., Мияхара Ю. Обнаружение событий узнавания ДНК с помощью многолуночных полевых устройств. Биосенс. Биоэлектрон. 2005; 21: 827–832. [PubMed] [Google Scholar]

22. Парк К., Ким М., Чой С. Изготовление и характеристики белкового чипа MOSFET для обнаружения рибосомного белка. Биосенс. Биоэлектрон. 2005;20:2111–2115. [PubMed] [Google Scholar]

23. Джаната Дж., Мосс С. Химически чувствительные полевые транзисторы. Биомед. англ. 1976; 6: 241–245. [PubMed] [Академия Google]

24. Заяц М., Харитонов А., Кац Э., Бюкманн А., Вилнер И. Интегрированная NAD + -зависимая фермент-функционализированная система полевых транзисторов (ENFET): разработка лактатного биосенсора. Биосенс. Биоэлектрон. 2000;15:671–680. [PubMed] [Google Scholar]

25. Schasfoort R., Kooyman R., Bergveld P., Greve J. Новый подход к работе с иммунополевым транзистором. Биосенс. Биоэлектрон. 1990; 5: 103–124. [PubMed] [Google Scholar]

26. Заяц М., Райтман О., Чегель В., Харитонов А., Вилнер И. Исследование процессов связывания антиген-антитело путем измерения импеданса на ионно-чувствительных полевых транзисторах и комплементарных устройствах. анализ поверхностного плазмонного резонанса: разработка сенсоров холерного токсина. Анальный. хим. 2002; 74: 4763–4773. [PubMed] [Академия Google]

27. Fromherz P., Offenhausser A., ​​Vetter T. , Weis J. Нейрон-кремниевый переход: клетка Ретциуса пиявки на полевом транзисторе с изолированным затвором. Наука. 1991; 252:1290–1293. [PubMed] [Google Scholar]

28. Вольф Б., Бришвайн М., Бауманн В., Эрет Р., Краус М. Мониторинг клеточной сигнализации и метаболизма с помощью модульной сенсорной техники The PhysioControl-Microsystem (PCM®) Biosens . Биоэлектрон. 1998; 13: 501–509. [PubMed] [Google Scholar]

29. Goncalves D., Prazeres D., Chu V., Conde J. Обнаружение ДНК и белков с использованием тонкопленочных полевых транзисторов, чувствительных к ионам аморфного кремния. Биосенс. Биоэлектрон. 2008; 24: 545–551. [PubMed] [Академия Google]

30. Небель С., Шин Д., Такеучи Д., Ямамото Т., Ватанабэ Х., Накамурас Т. Характеристика границы раздела алкен/алмазная жидкость/твердое тело с использованием внутренней фотоэмиссионной спектроскопии. Ленгмюр. 2006; 22: 5645–5653. [PubMed] [Google Scholar]

31. Эстрела П., Стюарт А., Ян Ф., Мильорато П. Обнаружение биомолекулярных взаимодействий с помощью полевого эффекта. Электрохим. Акта. 2005;50:4995–5000. [Google Scholar]

32. Сювенен А. На пути к полногеномному генотипированию SNP. Нац. Жене. 2005;37:S5–S10. [PubMed] [Академия Google]

33. Purusothaman S., Toumazou C., Ou C. Обнаружение полиморфизма протонов и одиночных нуклеотидов: простое использование ионно-чувствительного полевого транзистора. Чувств. Актив. Б. 2006; 114:964–968. [Google Scholar]

34. Zayats M., Huang Y., Gill R., Ma C., Willner I. Сенсоры на основе аптамеров без меток и реагентов для малых молекул. Варенье. хим. соц. 2006; 128:13666–13667. [PubMed] [Google Scholar]

35. Джаясена С. Аптамеры: новый класс молекул, конкурирующих с антителами в диагностике. клин. хим. 1999;45:1628–1650. [PubMed] [Google Scholar]

36. Ю К., Ли С., Им А., Ли С. Аптамеры как функциональные нуклеиновые кислоты: селекция in vitro и биотехнологические применения. Биотехнолог. Биопрок. англ. 2003; 8: 64–75. [Google Scholar]

37. Лузи Э., Минунни М. , Томбелли С., Маскини М. Новые тенденции в аптамерах, чувствительных к сродству, для связывания лигандов. Анальные тренды. хим. 2003; 22:810–818. [Google Scholar]

38. Song K., Nakamura Y., Sasaki Y., Degawa M., Yang J., Kawarada H. pH-чувствительные алмазные полевые транзисторы (FET) с прямым аминированием поверхности канала. Анальный. Чим. Акта. 2006; 573:3–8. [PubMed] [Академия Google]

39. Сонг К., Чжан Г., Накамура Ю., Фурукава К., Хираки Т., Ян Дж., Фунацу Т., Одомари И., Каварада Х. Датчики ДНК без меток с использованием сверхчувствительного алмазного полевого эффекта транзисторы в растворе. физ. Ред. Е. 2006; 74:041919:1–041919:7. [PubMed] [Google Scholar]

40. Yuqing M., Jianguo G., Jianrong C. Ионочувствительные биосенсоры на основе полевых преобразователей. Биотехнолог. Доп. 2003; 21: 527–534. [PubMed] [Google Scholar]

41. Луппа П., Соколл Л., Чан Д. Принципы иммуносенсоров и их применение в клинической химии. клин. Чим. Акта. 2001; 314:1–26. [PubMed] [Академия Google]

42. Цурута Х., Ямада Х., Мотоясики Ю., Ока К., Окада С., Накамура М. Автоматизированная система ELISA с использованием наконечника пипетки в качестве твердой фазы и рН-чувствительного полевого транзистора в качестве детектора . Дж. Иммунол. Методы. 1995; 183: 221–229. [PubMed] [Google Scholar]

43. Стародуб Н., Дзантиев Б., Стародуб В., Жердев А. Иммуносенсор для определения гербицида симазин на основе ионоселективного полевого транзистора. Анальный. Чим. Акта. 2000; 424:37–43. [Академия Google]

44. Selvanayagam Z., Neuzil P., Gopalakrishnakon P., Sridhar U., Singh M., Ho L. Иммуносенсор на основе ISFET для обнаружения β-бунгаротоксина. Биосенс. Биоэлектрон. 2002; 17: 821–826. [PubMed] [Google Scholar]

45. Плеханова Ю., Решетилов А., Язынина Е., Жердев А., Дзантиев Б. Новый формат анализа для электрохимических иммуносенсоров: полиэлектролитное разделение на мембранных носителях в сочетании с детектированием пероксидазы активность рН-чувствительным полевым транзистором. Биосенс. Биоэлектрон. 2003;19: 109–114. [PubMed] [Google Scholar]

46. Schasfoort R., Bergveld P., Kooyman R., Greve J. Возможности и ограничения прямого обнаружения белковых зарядов с помощью иммунологического полевого транзистора. Анальный. Чим. Акта. 1990; 238:323–329. [Google Scholar]

47. Бесселинк Г., Шасфорт Р., Бергвельд П. Модификация ISFET монослоем латексных шариков для специфического обнаружения белков. Биосенс. Биоэлектрон. 2003; 18:1109–1114. [PubMed] [Академия Google]

48. Qu L., Xia S., Bian C., Sun J., Han J. Микропотенциометрический иммуносенсор гемоглобина на основе композита электрополимеризованного полипиррола и наночастиц золота. Биосенс. Биоэлектрон. 2009; 24:3419–3424. [PubMed] [Google Scholar]

49. Park H., Kim S., Park K., Lyu H., Lee C., Chung S., Yun W., Kim M., Chung B. Биосенсор ISFET для мониторинг индуцированных мальтозой конформационных изменений MBP. ФЭБС лат. 2009; 583: 157–162. [PubMed] [Google Scholar]

50. Poghossian A. , Yoshinobu T., Simonis A., Ecken H., Lüth H., Schöning M. Обнаружение пенициллина с помощью датчиков на основе полевого эффекта: EnFET, емкостный датчик EIS или ЛАПС? Чувств. Актив. Б. 2001; 78: 237–242. [Академия Google]

51. Парк К., Чой С., Ли М., Сон Б., Чой С. Сенсорная система глюкозы ISFET с характеристиками быстрого восстановления с использованием электролиза. Чувств. Актив. Б. 2002; 83: 90–97. [Google Scholar]

52. Хартл А., Баур Б., Штутцманн М., Гарридо Дж.А. Ферментно-модифицированные полевые транзисторы на основе поверхностно-проводящего монокристаллического алмаза. Ленгмюр. 2008; 24:9898–9906. [PubMed] [Google Scholar]

53. Luo X., Xu J., Zhao W., Chen H. Новый глюкозный ENFET, основанный на особой реакционной способности наночастиц MnO2. Биосенс. Биоэлектрон. 2004;19: 1295–1300. [PubMed] [Google Scholar]

54. Luo X., Xu J., Zhao W., Chen H. Биосенсор глюкозы на основе ENFET, легированного наночастицами SiO2. Чувств. Актив. Б. 2004; 97: 249–255. [Google Scholar]

55. Сант В., Пурсьель М., Лоней Дж., До Конто Т., Мартинес А., Темпл-Бойер П. Разработка химических полевых транзисторов для обнаружения мочевины. Чувств. Актив. Б. 2003; 95: 309–314. [Google Scholar]

56. Chen J., Chou J., Sun T., Hsiung S. Портативный биосенсор мочевины на основе полевого транзистора с расширенным затвором. Чувств. Актив. Б. 2003;91: 180–186. [Google Scholar]

57. Солдаткин А., Монториол Дж., Сант В., Мартеле К., Джафрезик-Рено Н. Новый чувствительный к мочевине биосенсор с расширенным динамическим диапазоном на основе рекомбинантной уреазы и ISFET. Биосенс. Биоэлектрон. 2003; 19: 131–135. [PubMed] [Google Scholar]

58. Ауни Ф., Млика Р., Мартелет С., Бен Уада Х., Джафрезик-Рено Н., Солдаткин А. Моделирование потенциометрического ответа ЭНФЭТ на основе ферментативных многослойных мембран. Электроанализ. 2004; 16:1907–1919.11. [Google Scholar]

59. Ребриев А., Стародуб Н. Ферментативный биосенсор на основе ISFET и фотополимерной мембраны для определения мочевины. Электроанализ. 2004; 16:1891–1895. [Google Scholar]

60. Нива Д., Омичи К., Мотохаши Н., Хомма Т., Осака Т. Монослойно-модифицированные органосилановые самособирающиеся полевые транзисторы для встроенных датчиков ионов и биомолекул. Чувств. Актив. Б. 2005; 108: 721–726. [Google Scholar]

61. Poghossian A., Tust M., Schroth P., Steffen A., Lüth H., Schöning M. J. Обнаружение пенициллина с помощью полевых структур на основе кремния. Sens. Mater. 2001; 13: 207–223. [Академия Google]

62. Poghossian A., Schöning M., Schroth P., Simonis A., Lüth H. Датчик пенициллина на основе ISFET с высокой чувствительностью, низким пределом обнаружения и длительным сроком службы. Чувств. Актив. Б. 2001; 76: 519–526. [Google Scholar]

63. Сант В., Пурсьель-Гузи М., Лоней Дж., До Конто Т., Колин Р., Мартинес А., Темпл-Бойер П. Разработка чувствительного к креатинину датчика для медицинского анализа . Чувств. Актив. Б. 2004; 103: 260–264. [Google Scholar]

64. Симонян А. , Флаундерс А., Уайлд Дж. Биосенсоры на основе полевых транзисторов для прямого обнаружения фосфорорганических нейротоксинов. Электроанализ. 2004;16:1896–1906. [Google Scholar]

65. Симонян А., Гримсли Дж., Флаундерс А., Шёнигер Дж., Ченг Т., ДеФранк Дж., Уайлд Дж. Ферментный биосенсор для прямого обнаружения фторсодержащих фосфорорганических соединений. Анальный. Чим. Акта. 2001; 442:15–23. [Google Scholar]

66. Дзядевич С., Ань Т., Солдаткин А., Чиен Н., Жафрезик-Рено Н., Човелон Дж. Разработка ферментного биосенсора на основе рН-чувствительных полевых транзисторов для обнаружения фенольных соединений. соединения. Биоэлектрохимия. 2002;55:79–81. [PubMed] [Google Scholar]

67. Солдаткин А., Архипова В., Дзядевич С., Ельская А., Гравуэль Ж., Жафрезик-Рено Н., Мартеле К. Анализ гликоалкалоидов картофеля с использованием ферментный биосенсор на основе pH-ISFET. Таланта. 2005; 66: 28–33. [PubMed] [Google Scholar]

68. Марракчи М., Дзядевич С., Билоиван О., Мартелет С. , Темпл П., Джафрезик-Рено Н. Разработка трипсинового биосенсора на основе ионно-чувствительных полевых транзисторов для белков решимость. Матер. науч. англ. К. 2006; 26:369–373. [Google Scholar]

69. Саркар П. Одноступенчатый амперометрический биосенсор без разделения для обнаружения белка. Микрохим. Дж. 2000; 64: 283–290. [Google Scholar]

70. Сетфорд С., Уайт С., Болбот Дж. Измерение белка с помощью электрохимического биферментного датчика. Биосенс. Биоэлектрон. 2002; 17:79–86. [PubMed] [Google Scholar]

71. Фриман Р., Эльбаз Дж., Гилл Р., Заяц М., Вилнер И. Анализ активности дофамина и тирозиназы на устройствах с ионно-чувствительным полевым транзистором (ISFET). хим. Евро. Дж. 2007; 13: 7288–729.3. [PubMed] [Google Scholar]

72. Барон Р., Заяц М., Вилнер И. Рост наночастиц золота, индуцированный дофамином, L-ДОФА, адреналином и норадреналином: анализы для обнаружения нейротрансмиттеров и активность тирозиназы. Анальный. хим. 2005; 77: 1566–1571. [PubMed] [Google Scholar]

73. Feng X., Mao C., Yang G., Hou W., Zhu J. Композитные полые сферы из полианилина/золота: синтез, характеристика и применение для обнаружения дофамина. Ленгмюр. 2006; 22:4384–4389. [PubMed] [Академия Google]

74. Гилл Р., Фримен Р., Сюй Дж., Вилнер И., Виноград С., Швеки И., Банин У. Исследование биокаталитических превращений с помощью КТ CdSe ZnS. Варенье. хим. соц. 2006; 128:15376–15377. [PubMed] [Google Scholar]

75. Li D., Gill R., Freeman R., Willner I. Исследование ферментативных реакций с помощью индуцированной биокатализатором ассоциации или диссоциации окислительно-восстановительных меток, связанных с монослойно-функционализированными электродами. хим. коммун. 2006; 2006: 5027–5029. [PubMed] [Google Scholar]

76. Билоиван О., Дзядевич С., Бубряк О., Солдаткин А., Ельская А. Разработка ферментного биосенсора на основе ISFET для количественного анализа сериновых протеиназ. Электроанализ. 2004; 16:1883–1889.. [Google Scholar]

77. Дюран П., Нико Дж., Маллевиаль Дж. Обнаружение фосфорорганических пестицидов с помощью иммобилизованного холинэстеразного электрода. Дж. Анал. Токсикол. 1984; 8: 112–117. [PubMed] [Google Scholar]

78. Tran-Minh C. Иммобилизованные ферментные зонды для определения ингибиторов. Ион-Селект. электр. 1985; 7:41–75. [Google Scholar]

79. Дзядевич С., Шульга А., Солдаткин А., Нямси Хенджи А., Жафрезик-Рено Н., Мартеле К. Кондуктометрические биосенсоры на основе холинэстераз для чувствительного обнаружения пестицидов. Электроанализ. 1994;6:752–758. [Google Scholar]

80. Жафрезик-Рено Н., Мартеле К., Клеше П., Нямси Хенджи А., Шульга А., Дзядевич С., Нечипорук Л., Солдаткин А. Сравнение двух режимов трансдукции для Дизайн микробиосенсоров, применимых для обнаружения пестицидов (S&M 0233) Sens. Mater. 1996; 8: 161–168. [Google Scholar]

81. Дзядевич С., Солдаткин А., Архипова В., Ельская А., Шовелон Дж., Георгиу К., Мартеле К., Жафрезик-Рено Н. Электрохимическая биосенсорная система раннего предупреждения для мониторинг окружающей среды на основе ингибирования ферментов. Чувств. Актив. Б. 2005; 105:81–87. [Академия Google]

82. Puig-Lleix C., Jimenez C., Fabregas E., Bartrol J. Потенциометрические датчики pH на основе уретанакрилатных фотоотверждаемых полимерных мембран. Чувств. Актив. Б. 1998; 49: 211–217. [Google Scholar]

83. Муньос Дж., Хименес С., Братов А., Бартроли Дж., Алегрет С., Домингес С. Применение светочувствительных полиуретанов в разработке устройств CHEMFET и ENFET для биомедицинского зондирования. Биосенс. Биоэлектрон. 1997; 12: 577–585. [PubMed] [Google Scholar]

84. Wetzels G., Koole L. Фотоиммобилизация поли(N-винилпирролидинона) как средство улучшения гемосовместимости полиуретановых биоматериалов. Биоматериалы. 1999;20:1879–1887. [PubMed] [Google Scholar]

85. Nakako M., Hanazato Y., Maeda M., Shiono S. Нейтральный липидный ферментный электрод на основе ионно-чувствительных полевых транзисторов. Анальный. Чим Акта. 1986; 185: 179–185. [Google Scholar]

86. Luo Y., Do J. Биосенсор мочевины на основе композитного электрода PANi (уреаза)-Nafion®/Au. Биосенс. Биоэлектрон. 2004; 20:15–23. [PubMed] [Google Scholar]

87. Виджаялакшми А., Тарунашри Ю., Барувати Б., Манорама С., Нараяна Б., Джонсон Р., Рао Н. Ферментный полевой транзистор (ENFET) для оценки триглицеридов с использованием магнитные наночастицы. Биосенс. Биоэлектрон. 2008; 23:1708–1714. [PubMed] [Академия Google]

88. Мигита С., Озаса К., Танака Т., Харуяма Т. Ферментативный полевой транзистор для обнаружения аденозинтрифосфата (АТФ). Аналитик. науч. 2007; 23:45–48. [PubMed] [Google Scholar]

89. Дзядевич С., Солдаткин А., Ельская А., Мартелет С., Яфрезик-Рено Н. Ферментные биосенсоры на основе ионселективных полевых транзисторов. Анальный. Чим. Акта. 2006; 568: 248–258. [PubMed] [Google Scholar]

90. Волотовский В., Солдаткин А., Шульга А., Россохатый В., Стриха В., Ельская А. Глюкозочувствительные ионочувствительные полевые транзисторы на основе биосенсор с дополнительной положительно заряженной мембраной. Расширение динамического диапазона и уменьшение концентрации буфера влияют на отклик сенсора. Анальный. Чим. Акта. 1996;322:77–81. [Google Scholar]

91. Ishige Y., Shimoda M., Kamahori M. Ферментный датчик на основе FET с расширенным затвором и модифицированным ферроценилалкантиолом золотым чувствительным электродом. Биосенс. Биоэлектрон. 2009; 24:1096–1102. [PubMed] [Google Scholar]

92. Рисведен К., Понтен Дж., Каландер Н., Вилландер М., Даниэльссон Б. Ионочувствительный полевой транзистор, новый биоэлектронный наносенсор. Биосенс. Биоэлектрон. 2007; 22:3105–3112. [PubMed] [Google Scholar]

93. Мартиноя С., Россо Н., Граттарола М., Лоренцелли Л., Маргесин Б., Зен М. Разработка микросистем на основе матрицы ISFET для биоэлектрохимических измерений клеточных популяций. Биосенс. Биоэлектрон. 2001;16:1043–1050. [PubMed] [Академия Google]

94. Леманн М., Бауманн В., Бришвайн М., Гале Х., Фройнд И., Эрет Р., Дрекслер С., Пальцер Х., Кляйнтгес М., Зибен У. Одновременное измерение клеточного дыхания и подкисления с одним CMOS ISFET. Биосенс. Биоэлектрон. 2001; 16: 195–203. [PubMed] [Google Scholar]

95. Milgrewa M., Riehle M., Cumming D. Большой чип сенсорной матрицы на основе транзисторов для прямой внеклеточной визуализации. Чувств. Актив. Б. 2005; 111:347–353. [Google Scholar]

96. Yeung C., Ingebrandt S., Krause M., Offenhäusser A., ​​Knoll W. Подтверждение использования полевых транзисторов для записи внеклеточных сигналов в фармакологических биологических анализах. Дж. Фармакол. Токсикол. Методы. 2001;45:207–214. [PubMed] [Академия Google]

97. Ван П., Сюй Г., Цинь Л., Сюй Ю., Ли Ю., Ли Р. Биосенсоры на основе клеток и их применение в биомедицине. Чувств. Актив. Б. 2005; 108: 576–584. [Google Scholar]

98. Castellarnau M., Zine N., Bausells J., Madrid C., Juarez A., Samitier J., Errachid A. Интегрированное позиционирование клеток и биосенсоры ISFET на основе клеток. Чувств. Актив. Б. 2007; 120:615–620. [Google Scholar]

99. Castellarnau M., Zine N., Bausells J., Madrid C., Juarez A., Samitier J. , Errachid A. Биосенсор на основе ISFET для мониторинга метаболизма сахара в бактериях. Матер. науч. англ. С. 2008; 28: 680–685. [Академия Google]

100. Parce J., Owicki J., Kercso K., Sigal G., Wada H., Muir V., Bousse L., Ross K., Sikic B., McConnell H. Обнаружение поражающих клетки агентов с помощью кремниевый биосенсор. Наука. 1989; 246: 243–247. [PubMed] [Google Scholar]

101. Бауманн В., Леманн М., Швинде А., Эрет Р., Бришвайн М., Вольф Б. Микроэлектронная сенсорная система для микрофизиологического применения на живых клетках. Чувств. Актив. Б. 1999; 55:77–89. [Google Scholar]

102. Погосян А., Ингебрандт С., Оффенхойссер А., Шёнинг М.Ю. Полевые устройства для обнаружения сигналов сотовой связи. Семин. Сотовый Дев. биол. 2009 г.;20:41–48. [PubMed] [Google Scholar]

103. Wegener J., Keese C., Giaever I. Электрическое определение импеданса клеток и субстрата (ECIS) как неинвазивное средство для мониторинга кинетики распространения клеток на искусственные поверхности. Эксп. Сотовый рез. 2000; 259: 158–166. [PubMed] [Google Scholar]

104. Xiao C., Lachance B., Sunahara G., Luong J. Оценка цитотоксичности с использованием электрического зондирования клеточного импеданса: подход концентрации и функции времени. Мол. Токсикол. 1998; 11: 183–19.2. [PubMed] [Google Scholar]

105. Xiao C., Luong J. Он-лайн мониторинг клеточного роста и цитотоксичности с использованием электрического зондирования клеточного импеданса (ECIS) Biotechnol. прог. 2003;19:1000–1005. [PubMed] [Google Scholar]

106. Solly K., Wang X., Xu X., Strulovici B., Zheng W. Применение технологии электронного зондирования клеток в реальном времени (RT-CES) для клеточных анализов. Анализ наркотиков Dev. Технол. 2004; 2: 363–372. [PubMed] [Google Scholar]

107. Ceriotti L., Ponti J., Broggi F., Kob A., Drechsler S., Thedinga E., Colpo P., Sabbioni E., Ehret R., Rossi F. Оценка цитотоксичности в режиме реального времени путем измерения импеданса на 96-луночный планшет. Чувств. Актив. Б. 2007; 123:769–778. [Google Scholar]

108. Ceriotti L., Kob A., Drechsler S., Ponti J., Thedinga E., Colpo P., Ehret R., Rossi F. Онлайн-мониторинг метаболизма и адгезии BALB/3T3 с мультипараметрическим система на базе чипа. Анальный. Биохим. 2007; 371: 92–104. [PubMed] [Google Scholar]

Принцип работы и перспективные характеристики металлооксидного вакуумного полевого транзистора — MOVFET

  • DOI:10.23919/EPE20ECCEEЕвропа43536.2020.9215672
  • Идентификатор корпуса: 222221705
 @article{Patti2020OperationPA,
  title={Принцип работы и перспективные характеристики металлооксидного вакуумного полевого транзистора - MOVFET},
  автор = {Давиде Патти и Джованни Бусатто и Джанкарло Голлуччо и Даниэле Марчиано и Аннунциата Сансеверино и Франческо Веларди},
  journal={22-я Европейская конференция по силовой электронике и приложениям (EPE'20 ECCE Europe), 2020 г. },
  год = {2020},
  страницы={P.1-P.7}
}
  • Д. Патти, Г. Бусатто, Ф. Веларди
  • Опубликовано 1 сентября 2020 г.
  • Машиностроение
  • 22-я Европейская конференция по силовой электронике и приложениям (EPE’20 ECCE Europe) 2020 г.

В этой статье мы представляем принцип работы металлооксидного вакуумного полевого транзистора (MOVFET). Идея состоит в том, чтобы использовать предложенную в литературе технологию для реализации наноустройств с низким пороговым напряжением для силовых приложений. Принцип работы МОВПТ основан на эмиссии электронов с холодного катода в вакуум таким образом, чтобы получить пентодоподобные характеристики с очень низким сопротивлением. Эта последняя функция особенно интересна для… 

Просмотр на IEEE

doi.org

, показывающий 1-10 из 22 ссылок

Сорт Byrelevancemost, влияющий (VFET) и полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) демонстрируются на пластине кремний-на-изоляторе. …

Рассмотрение работы выхода в конструкции вакуумного автоэмиссионного транзистора

  • Дживон Ким, Хёнван О, Чон-Су Ли

  • Физика

  • 2017

Влияние разработки работы выхода на электрические характеристики наноразмерных полевых транзисторов (GAA) вакуумных полевых транзисторов (VFET) исследуется с использованием трехмерной технологии…

Обзор силового устройства на основе нитрида галлия и его применения в приводе двигателя

Устройство на основе нитрида галлия (GaN) с широкой запрещенной зоной имеет преимущества большой ширины запрещенной зоны, высокой подвижности электронов и низкой диэлектрической проницаемости . По сравнению с традиционными кремниевыми устройствами эти преимущества делают его…

Вакуумное вакуумное наноэлектронное устройство с напряжением включения 2 В

  • D. Patti, G. Castorina, S. Pennisi

  • Engineering

    2016 IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS)

  • 2016

Измерения на первом прототипе массива 5×4 соединенных диодом параллельных устройств с площадью кремния 5мкм×4мкм подтверждают эмиссию Фаулера-Нордгейма с напряжением включения всего 2 В, обеспечивая при этом общий ток эмиссии 25 мкА при смещении затвор-катод 20 В.

Силовые устройства SiC — Текущее состояние, области применения и перспективы на будущее

Полупроводниковые устройства на основе карбида кремния (SiC) для мощных приложений теперь коммерчески доступны в виде дискретных устройств. В последнее время диоды Шоттки предлагаются как в США, так и в Европе на базе…

На пути к нанотехнологическому вакуумному триоду с холодным излучением

  • Д. Патти, С. Пенниси, С. Ломбардо, Г. Никотра

  • Физика

    2017 14-я Международная конференция по методам синтеза, моделирования, анализа и симуляции и приложениям к проектированию схем (SMACD)

  • 2017

Здесь разработано и изготовлено трехполюсное устройство по той же технологии для реализации вакуумного нанотриода и установлено, что излучение совершенно нечувствительно к температуре и устройство может работать также при высоких температурах надежным образом.

Оценка широкозонных полупроводников для силовых устройств.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *