Полупроводниковый транзистор. Полевые транзисторы: принцип работы, типы, применение и преимущества

Что такое полевой транзистор. Как устроен и работает полевой транзистор. Какие бывают типы полевых транзисторов. В чем преимущества полевых транзисторов перед биполярными. Где применяются полевые транзисторы.

Принцип работы полевого транзистора

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток протекает через проводящий канал, управляемый электрическим полем. Основные элементы полевого транзистора:

• Исток — электрод, из которого в канал поступают носители заряда
• Сток — электрод, через который носители заряда покидают канал
• Затвор — управляющий электрод, создающий электрическое поле
• Канал — область полупроводника между истоком и стоком

Принцип действия полевого транзистора основан на изменении проводимости канала под воздействием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе. Это позволяет управлять током через канал с помощью напряжения на затворе.

Основные типы полевых транзисторов

Существует два основных типа полевых транзисторов:

1. Транзисторы с управляющим p-n-переходом (JFET)

В этих транзисторах затвор отделен от канала обратно смещенным p-n-переходом. При изменении напряжения на затворе меняется ширина обедненной области p-n-перехода, что приводит к изменению сечения канала и его проводимости.

2. Транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

В МОП-транзисторах затвор изолирован от канала слоем диэлектрика (обычно оксида кремния). Электрическое поле затвора индуцирует заряды в канале, изменяя его проводимость. МОП-транзисторы бывают двух видов:

• С встроенным каналом — канал существует при нулевом напряжении на затворе
• С индуцированным каналом — канал образуется только при определенном пороговом напряжении на затворе

Преимущества полевых транзисторов

По сравнению с биполярными транзисторами, полевые транзисторы обладают рядом важных преимуществ:

• Очень высокое входное сопротивление (до 10
  14 Ом)
• Малая потребляемая мощность в статическом режиме
• Низкий уровень шумов
• Высокая температурная стабильность
• Возможность работы как с положительным, так и с отрицательным напряжением на затворе
• Отсутствие инжекции неосновных носителей заряда

Области применения полевых транзисторов

Благодаря своим уникальным свойствам, полевые транзисторы нашли широкое применение в различных областях электроники:

• Аналоговые и цифровые интегральные схемы
• Малошумящие усилители
• Ключевые схемы
• Преобразователи напряжения
• Стабилизаторы тока
• Схемы выборки-хранения
• Мощные высокочастотные усилители
• Силовые ключи в импульсных источниках питания

Особенности работы полевых транзисторов

Рассмотрим некоторые важные аспекты функционирования полевых транзисторов:

Режимы работы

Полевой транзистор может работать в трех основных режимах:

1. Режим отсечки — канал полностью перекрыт, ток стока минимален
2. Линейный (омический) режим — ток стока линейно зависит от напряжения сток-исток
3. Режим насыщения — ток стока практически не зависит от напряжения сток-исток

Характеристики полевых транзисторов

Основные характеристики полевых транзисторов:

• Стоковые (выходные) характеристики — зависимость тока стока от напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток
• Стоко-затворная (передаточная) характеристика — зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток
• Крутизна характеристики — отношение изменения тока стока к изменению напряжения затвор-исток

Сравнение полевых и биполярных транзисторов

Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными:

Параметр	Полевые транзисторы	Биполярные транзисторы
Управление	Напряжением	Током
Входное сопротивление	Очень высокое	Низкое
Уровень шумов	Низкий	Высокий
Температурная стабильность	Высокая	Низкая
Быстродействие	Очень высокое	Высокое

Перспективы развития полевых транзисторов

Современные тенденции в развитии полевых транзисторов включают:

• Уменьшение размеров (сейчас достигнут уровень 5-7 нм)
• Использование новых материалов (графен, нитрид галлия)
• Создание трехмерных структур
• Повышение рабочих частот (до сотен ГГц)
• Снижение энергопотребления
• Интеграция с оптическими компонентами

Эти разработки позволят создавать еще более быстрые, экономичные и функциональные электронные устройства на основе полевых транзисторов.

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).

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.

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 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 .

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

2. Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор) представляет собой четырехконтактное устройство. Терминалы являются источник (S), ворота (G) и сток (D), подложка or тело образует четвертый терминал. МОП-транзистор выполнен с затвором, изолированным от канала диэлектриком диоксида кремния. МОП-транзисторы могут быть истощение or режим улучшения, Мы определим эти два термина в ближайшее время.

Рисунок 1 — истощение n-канального МОП-транзистора

МОП-транзисторы иногда называют IGFET (полевые транзисторы с изолированным затвором) из-за SiO₂ слой используется в качестве изолятора между затвором и подложкой. Мы начинаем наш анализ с MOSFET в режиме обеднения. Так же, как BJT могут быть NPN or PNPМОП-транзисторы могут быть n-канал (NMOS) или p-канал (PMOS). Рисунок 1 иллюстрирует физическую структуру и символ для nистощение каналов МОП-транзистор. Обратите внимание, что подложка подключена к терминалу источника. Это почти всегда будет так.

Истощение МОП-транзистор построен с физический канал вставлен между стоком и истоком. В результате, когда напряжение, v_DS, применяется между стоком и источником тока, i_D, существует между стоком и истоком, хотя клемма G затвора остается не подключенной (v_GS= 0 V).

Строительство nистощение канала начинается с pлегированный кремний. nлегированные истоковые и сливные скважины образуют низкоомные соединения между концами n-канал, как показано на рисунке 1. Тонкий слой диоксида кремния осаждается, покрывая область между истоком и стоком. SiO₂ это изолятор. Алюминиевый слой наносится на изолятор из диоксида кремния, чтобы сформировать клемму затвора. В эксплуатации отрицательный v_GS выталкивает электроны из области канала, тем самым истощая канал. когда v_GS достигает определенного напряжения, V_Tканал ущипнул, Положительные значения v_GS увеличить размер канала, что приведет к увеличению тока утечки. Истощение МОП-транзистора может работать с положительными или отрицательными значениями v_GS, Поскольку затвор изолирован от канала, ток затвора пренебрежимо мал (порядка 10^-12 А).

Рисунок 2 — истощение p-канала MOSFET

Рисунок 2 сопоставим с рисунком 1, за исключением того, что мы изменили nМОП-транзистор pистощение каналов МОП-транзистор.

Освободи Себя n-канальное расширение MOSFET показано на рисунке 3 вместе с символом схемы. Это наиболее часто используемая форма полевого транзистора.

Рисунок 3 — n-канальное расширение MOSFET

Освободи Себя nМОП-транзистор с улучшенным каналом отличается от МОП-транзистора с истощением отсутствием тонкого n-слой. Для установления канала требуется положительное напряжение между затвором и источником. Этот канал формируется действием положительного напряжения затвор-источник, v_GS, который притягивает электроны из области подложки между nлегированный сток и исток. положительный v_GS заставляет электроны накапливаться на поверхности под оксидным слоем. Когда напряжение достигает порога, V_Tдостаточное количество электронов притягивается к этой области, чтобы она действовала как проводящая nканальное. Нет заметного тока утечки, i_D существует до v_GS превышает V_T.

Рисунок 4 сопоставим с рисунком 3, за исключением того, что мы изменили nМОП-транзистор p-канальное улучшение MOSFET.

Рисунок 4 — p-канал улучшения MOSFET

Таким образом, семейство MOSFET демонстрирует i_D в сравнении с v_GS Кривые показаны на рисунке 5. Каждая характеристическая кривая разработана с достаточным напряжением сток-исток v_DS  поддерживать устройство в нормальном рабочем районе i_D в сравнении с v_DS кривые. Обсуждение в последующих разделах будет определять пороговое напряжение V_T как для полевых МОП-транзисторов, так и для полевых МОП-транзисторов.

Рисунок 5 —  i_D в сравнении с v_GSхарактеристики семейства MOSFET для достаточного напряжения источника стока V_DS

Характеристики терминала MOSFET в расширенном режиме 2.1

Теперь, когда мы представили базовую структуру и основу для работы полевого МОП-транзистора, мы используем подход, чтобы исследовать поведение терминала устройства расширенного режима. Давайте сначала сделаем некоторые общие наблюдения из рисунка 1. Думайте о нормальном течении тока в MOSFET, как о протекании от стока к истоку (как и в BJT, это происходит между коллектором и эмиттером). Как и в случае с NPN BJT, два спина к спине существуют между стоком и истоком. Поэтому мы должны приложить внешние напряжения к затвору, чтобы ток мог течь между стоком и истоком.

Если мы заземлим источник и подадим положительное напряжение на затвор, это напряжение будет напряжением затвора-истока. Положительное напряжение на затворе притягивает электроны и отталкивает дырки. Когда напряжение превышает порог (V_T), достаточно электронов притягивается, чтобы образовать проводящий канал между стоком и истоком. В этот момент транзистор включается, и ток является функцией обоих v_GS и v_DS, Должно быть ясно, что V_T положительное число для n-канальное устройство и отрицательное число для pустройство

После создания канала (т. Е. v_GS >V_T), ток может происходить в этом канале между стоком и истоком. Этот ток зависит от v_DS, но это также зависит от v_GS. Когда v_GS едва превышает пороговое напряжение, может течь очень маленький ток. Как v_GS увеличивается за порог, канал содержит больше несущих и возможны более высокие токи. На рисунке 6 показана взаимосвязь между i_D и v_DS в котором v_GS это параметр. Обратите внимание, что для v_GS меньше порога, ток не течет. Для высшего v_GS, отношение между i_D и v_DS является приблизительно линейным, указывая, что MOSFET ведет себя как резистор, сопротивление которого зависит от v_GS.

Рисунок 6 —i_Dв сравнении с v_DS для расширенного режима nканал МОП-транзистор, когда v_DS маленький

Кривые рисунка 6 выглядят как прямые линии. Тем не менее, они не будут продолжаться как прямые линии, когда v_DS становится больше. Напомним, что положительное напряжение затвора используется для создания канала проводимости. Это происходит путем привлечения электронов. Положительное напряжение стока делает то же самое. Когда мы приближаемся к концу стока, напряжение, создающее канал, приближается v_GS–v_DS так как два источника противостоят друг другу. Когда эта разница меньше V_Tканал больше не существует для всего пространства между истоком и стоком. Канал ограничен на конце утечки, и в дальнейшем увеличивается v_DS не приводит к увеличению i_D, Это называется нормальным рабочим регионом или насыщение область показана на рисунке 7 горизонтальным разрезом характеристических кривых. Когда разница больше чем V_Tмы называем это триод режим, потому что потенциалы на всех трех клеммах сильно влияют на ток.

Предыдущее обсуждение приводит к рабочим кривым на рисунке 7.

Рисунок 7 —i_D в сравнении с v_GS для MOSFET в улучшенном режиме

Переход между триодом и нормальной рабочей областью (называемой областью насыщения и часто идентифицируемой как операция в режиме пинч-офф) операции показан пунктирной линией на рисунке 7, где

(1)

На границе области триода колени кривых приблизительно следуют соотношению,

(2)
В уравнении (2) K является константой для данного устройства. Его стоимость зависит от габаритов устройства и материалов, из которых он изготовлен. Константа определяется как

(3)
В этом уравнении μ_n подвижность электронов; C_окисьоксидная емкость — это емкость на единицу площади затвора; W ширина ворот; L это длина ворот. Уравнение указывает на сложную и нелинейную связь между i_D и два напряжения, v_DS и v_GS, Поскольку мы хотели бы, чтобы ток стока изменялся примерно линейно с v_GS (независим от v_DS), FET обычно не используется в области триода.

Теперь мы хотим найти уравнение для рабочих кривых в области насыщения. Мы можем установить значения на переходе между триодом и областью насыщения, оценив уравнение (2) на переходе (колено). То есть,

(4)
Это уравнение устанавливает величину тока стока на границе (пунктирная линия на рисунке 8) как функцию напряжения затвор-исток v_GS, При необходимости мы можем учесть небольшой наклон характеристических кривых в области насыщения, добавив линейный коэффициент.

(5)
В уравнении (5), λ является небольшой константой (наклон почти горизонтального участка характеристических кривых, показанных на рисунке 8). Обычно это меньше, чем 0.001 (V^-1). затем

(6)

Все наше предыдущее обсуждение касалось NMOS-транзистора. Теперь мы кратко обсудим необходимые модификации для PMOS. Для PMOS значения v_DS будет отрицательным. Кроме того, чтобы создать канал в PMOS, .

Рисунок 8 — Клеммные характеристики МОП-транзистора

Единственное отличие от характеристик транзисторов NMOS (рисунок 7) состоит в том, что горизонтальная ось теперь равна -v._DS вместо + v_DS, и параметрические кривые представляют более высокий ток стока при уменьшении напряжения на затворе (вместо увеличения для транзистора NMOS). Кривые для увеличения значений тока соответствуют более отрицательному напряжению затвора. когда v_GS > V_TТранзистор отключен. Для улучшения PMOS, V_T отрицательно, и для истощения PMOS, V_T положительно.

Уравнение для тока на переходе триодной области для транзистора PMOS идентично уравнению NMOS. То есть,

(7)
Обратите внимание, что v_GS и v_DS оба отрицательные величины. Уравнение для области насыщения в транзисторе PMOS также идентично уравнению NMOS. То есть,

(8)

Обратите внимание, что λ отрицательно для транзисторов PMOS, так как скорость изменения кривой () отрицательно.

Взяв частную производную обеих сторон уравнения (6) по v_GS, , мы получаем

(9)
Мы предпочитаем ценность g_m быть постоянным, особенно при больших колебаниях сигнала. Тем не менее, мы можем приблизиться к этому условию, только если мы используем FET для приложений с малым сигналом. Для больших условий сигнала искажение формы сигнала может быть неприемлемым в некоторых приложениях.

2.2 МОП-транзистор в режиме истощения

В предыдущем разделе речь шла о MOSFET в расширенном режиме. Теперь мы сопоставим это с МОП-транзистором в режиме обеднения. Для n— Режим улучшения канала, чтобы получить канал, мы должны были подать положительное напряжение на затвор. Это напряжение должно было быть достаточно большим, чтобы заставить достаточное количество подвижных электронов генерировать ток в индуцированном канале.

Рисунок 9 — Режим истощения n-канального МОП-транзистора

В n-канальный МОП-транзистор в режиме истощения, нам не нужно это положительное напряжение, так как у нас есть физически имплантированный канал. Это позволяет нам иметь ток между выводами стока и истока даже при отрицательном напряжении, приложенном к затвору. Конечно, существует ограничение на величину отрицательного напряжения, которое может быть приложено к затвору, при этом ток между стоком и истоком все еще протекает. Этот предел снова определяется как пороговое напряжение, V_T. Отличие от режима улучшения состоит в том, что напряжение затвор-исток теперь может быть отрицательным или положительным, как показано на рисунке 9.

Уравнения, которые определяют работу МОП-транзистора в режиме обеднения, очень похожи на уравнения в режиме улучшения. Значение тока стока при v_GS ноль идентифицируется как I_DSS, Это часто называют ток насыщения сток-исток, или ноль — ток стока затвора, Сравнивая уравнения полевого МОП-транзистора с уравнениями в режиме обеднения, находим

(10)

Затем мы находим,

(11)

МОП-транзисторы в режиме истощения доступны в дискретной форме или могут быть изготовлены на микросхемах интегральных микросхем наряду с типами режимов расширения. Это включает в себя как pтип и n-тип. Это обеспечивает большую гибкость в методах проектирования схем.

2.3 Эквивалентная схема с большим сигналом

Теперь мы хотим разработать эквивалентную схему, которая представляет характеристики большого сигнала на рисунке 8 [Уравнение (5) или (8)] в области насыщения. Обратите внимание, что ток утечки, i_D, зависит от v_GS и v_DS. Для постоянного напряжения затвор-исток мы действуем по одной из параметрических кривых на рисунке, и соотношение является приблизительно прямой линией. Прямолинейная зависимость между током и напряжением моделируется резистором. Таким образом, эквивалентная схема состоит из резистора, подключенного параллельно источнику тока, где значение источника тока определяет часть тока стока, обусловленную v_GS, Наклон кривой зависит от v_GS, Наклон является частной производной,

(12)

в котором r₀ это инкрементное выходное сопротивление. Из уравнения [(5) или (8)] видно, что это сопротивление

(13)

где мы используем верхний регистр V_GS чтобы указать, что сопротивление определено для определенного постоянного значения напряжения затвора к источнику. Окончательное приближение в уравнении (13) получается из уравнения (5) с предположением, что λ маленький. Следовательно, сопротивление обратно пропорционально току смещения, I_D, Модель, эквивалентная большому сигналу, представлена ​​на рисунке 11, где r₀ как разработано в уравнении (13).

Рисунок 11 — Эквивалентная схема с большим сигналом

2.4 Малосигнальная модель МОП-транзистора

Теперь мы хотим взглянуть на дополнительные эффекты, связанные с уравнением. Три параметра схемы в этом уравнении, i_D, v_GS и v_DS состоят из обоих dc (предвзятость) и ac компоненты (именно поэтому мы использовали прописные буквы в выражениях). Мы заинтересованы в ac компоненты для слабосигнальной модели. Мы видим, что ток стока зависит от двух напряжений: затвор-исток и сток-исток. Для дополнительных значений мы можем записать это соотношение как

(14)
В уравнении (14), g_m is прямая трансдуктивность и r₀ это выходное сопротивление. Их значения находятся путем взятия частных производных в уравнении (5). Таким образом,

(15)
Аппроксимация в уравнении (15) является результатом наблюдения, что λ если маленький. Уравнение (14) приводит к модели слабого сигнала на рисунке 12.

Рисунок 12 — Модель MOSFET со слабым сигналом

 

ПРЕДЫДУЩАЯ — 1. Преимущества и недостатки полевых транзисторовСЛЕДУЮЩАЯ — 3. Соединительный полевой транзистор (JFET)

Что такое биполярный транзистор и как его проверить

Добрый день, друзья!

Сегодня мы продолжим знакомиться с электронными «кирпичиками» компьютерного «железа». Мы уже рассматривали с вами, как устроены полевые транзисторы, которые обязательно присутствуют на каждой материнской плате компьютера.

Усаживайтесь поудобнее – сейчас мы сделаем интеллектуально усилие и попытаемся разобраться, как устроен

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который широко применяется в электронных изделиях, в том числе и компьютерных блоках питания.

Слово «транзистор» (transistor) образовано от двух английских слов – «translate» и «resistor», что означает «преобразователь сопротивления».

Слово «биполярный» говорит о том, что ток в приборе вызывается заряженными частицами двух полярностей – отрицательной (электронами) и положительной (так называемыми «дырками»).

«Дырка» — это не жаргон, а вполне себе научный термин. «Дырка» — это не скомпенсированный положительный заряд или, иными словами, отсутствие электрона в кристаллической решетке полупроводника.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру с чередующимися видами полупроводников.

Так как существуют полупроводники двух видов, положительные (positive, p-типа) и отрицательные (negative, n-типа), то может быть два типа такой структуры – p-n-p и n-p-n.

Средняя область такой структуры называется базой, а крайние области – эмиттером и коллектором.

На схемах биполярные транзисторы обозначаются определенным образом (см рисунок). Видим, что транзистор представляет собой, по существу, да p-n перехода, соединенных последовательно.

Вопрос на засыпку – почему нельзя заменить транзистор двумя диодами? Ведь в каждом из них есть p-n переход, не так ли? Включил два диода последовательно – и дело в шляпе!

Нет! Дело в том, что базу в транзисторе во время изготовления делают очень тонкой, чего никак нельзя достичь при соединении двух отдельных диодов.

Принцип работы биполярного транзистора

Основной принцип работы транзистора заключается в том, что небольшой ток базы может управлять гораздо бОльшим током коллектора — в диапазоне практически от нуля до некоей максимально возможной величины.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току и может составлять величину от нескольких единиц до нескольких сотен.

Интересно отметить, что у маломощных транзисторов он чаще всего больше, чем у мощных (а не наоборот, как можно было бы подумать).

Это напоминает работу полевого транзистора (ПТ).

Разница в том, что в отличие от затвора ПТ, при управлении ток базы всегда присутствует, т.е. на управление всегда тратится какая-то мощность.

Чем больше напряжение между эмиттером и базой, тем больше ток базы и, соответственно, больше ток коллектора. Однако любой транзистор имеет максимально допустимые значения напряжений между эмиттером и базой и между эмиттером и коллектором. За превышение этих параметров придется расплачиваться новым транзистором.

В рабочем режиме обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор закрыт.

Биполярный транзистор, подобно реле, может работать и в ключевом режиме. Если подать некоторый достаточный ток в базу (замкнуть кнопку S1), транзистор будет хорошо открыт. Лампа зажжется.

При этом сопротивление между эмиттером и коллектором будет небольшим.

Падение напряжения на участке эмиттер – коллектор будет составлять величину в несколько десятых долей вольта.

Если затем прекратить подавать ток в базу (разомкнуть S1), транзистор закроется, т.е. сопротивление между эмиттером и коллектором станет очень большим.

Лампа погаснет.

Как проверить биполярный транзистор?

Так как биполярный транзистор представляет собой два p-n перехода, то проверить его цифровым тестером достаточно просто.

Надо установить переключатель работы тестера в положение проверки диодов, присоединив один щуп к базе, а второй – поочередно к эмиттеру и коллектору.

По сути, мы просто последовательно проверяем исправность p-n переходов.

Такой переход может быть или открыт, или закрыт.

Затем надо изменить полярность щупов и повторить измерения.

В одном случае тестер покажет падение напряжение на переходах эмиттер – база и коллектор – база 0,6 – 0,7 В (оба перехода открыты).

Во втором случае оба перехода будут закрыты, и тестер зафиксирует это.

Следует отметить, что в рабочем режиме чаще всего один из переходов транзистора открыт, а второй закрыт.

Измерение коэффициента передачи биполярного транзистора по току

Если в тестере имеется возможность измерения коэффициента передачи по току, то проверить работоспособность транзистора можно, установив выводы транзистора в соответствующие гнезда.

Коэффициент передачи по току – это отношение тока коллектора к току базы.

Чем больше коэффициент передачи, тем большим током коллектора может управлять ток базы при прочих равных условиях.

Цоколевку (наименование выводов) и другие данные можно взять из data sheets (справочных данных) на соответствующий транзистор. Data sheets можно найти в Интернете через поисковые системы.

Тестер покажет на дисплее коэффициент передачи (усиления) тока, который нужно сравнить со справочными данными.

Коэффициент передачи тока маломощных транзисторов может достигать нескольких сотен.

У мощных транзисторов он существенно меньше – несколько единиц или десятков.

Однако существуют мощные транзисторы с коэффициентом передачи в несколько сотен или тысяч. Это так называемые пары Дарлингтона.

Пара Дарлингтона представляет собой два транзистора. Выходной ток первого транзистора является входным током для второго.

Общий коэффициент передачи тока – это произведение коэффициентов первого и второго транзисторов.

Пара Дарлингтона делается в общем корпусе, но ее можно сделать и из двух отдельных транзисторов.

Встроенная диодная защита

Некоторые транзисторы (мощные и высоковольтные) могут быть защищены от обратного напряжения встроенным диодом.

Таким образом, если подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору в режиме проверки диодов, то он покажет те же 0,6 – 0,7 В (если диод смещен в прямом направлении) или «запертый диод» (если диод смещен в обратном направлении).

Если же тестер покажет какое-то небольшое напряжение, да еще в обоих направлениях, то транзистор однозначно пробит и подлежит замене. Закоротку можно определить и в режиме измерения сопротивления – тестер покажет малое сопротивление.

Встречается (к счастью, достаточно редко) «подлая» неисправность транзисторов. Это когда он поначалу работает, а по истечению некоторого времени (или по прогреву) меняет свои параметры или отказывает вообще.

Если выпаять такой транзистор и проверить тестером, то он успеет остыть до присоединения щупов, и тестер покажет, что он нормальный. Убедиться в этом лучше всего заменой «подозрительного» транзистора в устройстве.

В заключение скажем, что биполярный транзистор – одна из основных «железок» в электронике. Хорошо бы научиться узнавать – «живы» эти «железки» или нет. Конечно, я дал вам, уважаемые читатели, очень упрощенную картину.

В действительности, работа биполярного транзистора описывается многими формулами, существуют многие их разновидности, но это сложная наука. Желающим копнуть глубже могу порекомендовать чудесную книгу Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники».

До встречи на блоге!

Транзистор простыми словами, принцип работы и устройство

Транзистор – это прибор, работающий по принципу полупроводника и предназначен для усиления сигнала. Из-за особенностей строения кристаллической решетки и своих полупроводниковых свойств, транзистор увеличивает протекающий через нее ток. Сами же вещества, имеющие такие свойства, препятствуют его протеканию. Самими основными элементами считаются германий (Gr) или кремний (Si). Полупроводники бывают двух видов – электронные и дырочные.

В статье будет приведена подробная информация об устройстве, производстве, сфере применения транзисторов. По этой теме добавлено два интересных видеоролика, а также научно-популярная статья по предмету вопроса.

Различные типы транзисторов.

Типы транзисторов

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

В таблице ниже представлена цветовая маркировка транзисторов:

Цветовая маркировка транзисторов

Биполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами.

В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов. Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Слово “транзистор” составлено из слов TRANSfer и resISTOR – преобразователь сопротивления. Он пришел на смену лампам в начале 1950-х. Это прибор с тремя выводами, используется для усиления и переключения в электронных схемах.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость).

Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой. Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Классификация биполярных транзисторов.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам. Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

• Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
• Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
• Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Транзистор.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

• со встроенным каналом.
• с индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

• Входное сопротивление.
• Амплитуда напряжения.
• Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между которыми протекает управляемый ток, носят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда. 

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными.

Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных. Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y₂₁ указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала. 

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока. Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты.

Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора. Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Транзисторы в заводской упаковке.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

• Усилительные схемы.
• Генераторы сигналов.
• Электронные ключи.

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства.

Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы. Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора. Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем.

На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Эволюция транзистора

PNP-транзистор

Впервые биполярный транзистор изготовили, вплавляя в кристалл германия (материал n-типа) капли индия. Индий (In) – трехвалентный металл, материал p-типа. Поэтому такой транзистор назвали диффузным (сплавным), имеющим структуру p-n-p (или pnp). Биполярный транзистор на рисунке ниже изготовлен в 1965 году.

Его корпус обрезан для наглядности. Кристалл германия в центре называется базой, а вплавленные в него капли индия – эмиттером и коллектором. Можно рассматривать переходы ЭБ (эмиттерный) и КБ (коллекторный) как обычные диоды, но переход КЭ (коллектор-эмиттерный) имеет особое свойство. Поэтому невозможно изготовить биполярный транзистор из двух отдельных диодов.

Интересно почитать: инструкция как прозвонить транзистор.

Если в транзисторе типа pnp приложить между коллектором (-) и эмиттером (+) напряжение в несколько вольт, в цепи пойдет очень слабый ток, несколько мкА. Если затем приложить небольшое (открывающее) напряжение между базой (-) и эмиттером (+) – для германия оно составляет около 0,3 В (а для кремния 0,6 В) – то ток некоторой величины потечет из эмиттера в базу.

Но так как база сделана очень тонкой, то она быстро насытится дырками (“растеряет” свой избыток электронов, которые уйдут в эмиттер). Поскольку эмиттер сильно легирован дырочной проводимостью, а в слабо легированной базе рекомбинация электронов немного запаздывает, то существенно большая часть тока пойдет из эмиттера в коллектор.

Коллектор сделан больше эмиттера и слабо легирован, что позволяет иметь на нем большее пробивное напряжение (U_{проб.КЭ} > U_{проб.ЭБ}). Также, поскольку основная часть дырок рекомбинирует в коллекторе, то он и греется сильнее остальных электродов прибора. Обычно α лежит в пределах 0,85-0,999 и обратно зависит от толщины базы.

Эта величина называется коэффициент передачи тока эмиттера. Это коэффициент передачи тока базы, один из самых важных параметров биполярного транзистора. Он чаще определяет усилительные свойства на практике. Транзистор pnp называют транзистором прямой проводимости. Но бывает и другой тип транзистора, структура которого отлично дополняет pnp в схемотехнике.

Двухполярные транзисторы

NPN-транзистор

Биполярный транзистор может иметь коллектор с эмиттером из материала N-типа. Тогда база делается из материала P-типа. И в этом случае, транзистор npn работает точно, как pnp, за исключением полярности – это транзистор обратной проводимости. Транзисторы на основе кремния подавляют своим числом все остальные типы биполярных транзисторов.

Донорным материалом для коллектора и эмиттера может служить As, имеющий “лишний” электрон. Также изменилась технология изготовления транзисторов. Сейчас они планарные, что дает возможность использовать литографию и делать интегральные схемы. По планарной технологии изготавливаются как pnp, так и npn-транзисторы, в том числе и мощные. Сплавные уже сняты с производства.

Схемы включения транзисторов

Обычно биполярный транзистор всегда используется в прямом включении – обратная полярность на КЭ переходе ничего интересного не дает. Для прямой схемы подключения есть три схемы включения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК), и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже.

Они поясняют только сам принцип работы – если предположить, что рабочая точка каким-то образом, с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи установлена. Для открывания кремниевого транзистора (Si) необходимо иметь потенциал ~0,6 В между эмиттером и базой, а для германиевого хватит ~0,3 В.

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Iб, ток коллектора Iк равен базовому току, умноженному на β. При этом напряжение +E должно быть достаточно большим: 5 В-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, следовательно, и мощность. Выходной сигнал противоположен по фазе входному (инвертируется). Это используется в цифровой технике как функция НЕ.

Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то при помощи подбора базового тока устанавливают напряжение U₂ равным E/2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое применение используется, например, при усилении аудиосигналов в усилителях высокого класса, с низкими искажениям и, как следствие, низким КПД.

Общий коллектор

По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления равен α ~ 1. Поэтому эта схема называется эмиттерный повторитель. Ток в цепи эмиттера получается в β+1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкое выходное и очень высокое входное сопротивление.

Тут самое время вспомнить о том, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет свойства и рабочие параметры, очень подходящие для пробников осциллографов. Здесь используют его огромное входное сопротивление и низкое выходное, что хорошо для согласования с низкоомным кабелем.

Полезный материал: что такое полупроводниковый диод.

Общая база

Эта схема отличается наиболее низким входным сопротивлением, но усиление по току у нее равно α. Схема с общей базой хорошо усиливает по напряжению, но не по мощности. Ее особенностью является устранение влияния обратной связи по емкости (эфф. Миллера). Каскады с ОБ идеально подходят в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных на низких сопротивлениях 50 и 75 Ом. Каскады с общей базой очень широко используются в технике СВЧ и их применение в радиоэлектронике с каскадом эмиттерного повторителя очень распространено.

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о транзисторах можно узнать из статьи Что такое биполярные транзисторы. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки статьи:

www.tokar.guru

www.remosnov.ru

www.electroengineer.ru

www.samelectrik.ru

Предыдущая

ПолупроводникиКак расшифровать цветовую маркировку транзисторов?

Следующая

ПолупроводникиЧто такое биполярный транзистор

Урок 25. приборы, преобразующие электрические сигналы — Естествознание — 11 класс

Естествознание, 11 класс

Урок 25. Приборы, преобразующие электрические сигналы

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• Чем отличаются полупроводниковые приборы от других элементов электронных схем?
• Каков принцип действия полупроводниковых приборов?

Глоссарий по теме:

Диод – электронный прибор, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

Интегральная схема – это микроэлектронная схема, сформированная на крошечной пластинке (кристаллике, или «чипе») полупроводникового материала, обычно кремния, которая используется для преобразования электрического сигнала.

Полупроводниковые приборы – приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих на границах между веществами с различной проводимостью (различными металлами, полупроводниками и диэлектриками).

Транзистор – это активный полупроводниковый прибор, который необходим для генерирования, преобразования и усиления электрического сигнала (его частоты и силы).

Триод — электронная лампа, позволяющая входным сигналом управлять током в электрической цепи, состоит из анода, катода и сетки

Электроника – прикладная наука, изучающая приборы, преобразующие электрические сигналы.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

• Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – §40, С. 119-122
• Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Развитие электроники и соответствующих технологий было обусловлено использованием полупроводниковых материалов.

Принцип действия полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границах между веществами с различной проводимостью (различными металлами, полупроводниками и диэлектриками).

Знакомство с полупроводниковыми приборами начнём с диода.

Диод – электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

В основе принципа действия полупроводникового диода — свойства электронно-дырочного перехода.

При контакте двух проводников или полупроводников в области контакта наблюдается тепловое движение электронов. Поскольку вещества различны, то электроны переходят из вещества 1 на вещество 2. Таким образов во втором проводнике на границе раздела двух сред возникает избыток электронов.

Различают прямое и обратное включение.

Если приложить электрическое поле, как показано на рисунке, то оно будет действовать на электроны облака с некоторой силой (на рисунке она направлена вверх), и пойдет электрический ток. Такое включение называют прямым.

Если же электрическое поле приложить наоборот, то чтобы заставить электроны двигаться в обратном направлении необходимо создать дополнительную силу, способную «загнать» электроны облака обратно в проводник 1. Это означает, что такой же по величине ток пойдет при большем напряжении. Если же напряжение оставить тем же, то ток идти не будет.

Полупроводниковый прибор, способный усиливать сигнал подобно вакуумной лампе с управляющими электродами называется транзистором. Транзисторы бывают различных типов и конструкций

Понять работу транзистора проще всего на основе рассмотрения так называемого полевого транзистора.

В полупроводнике (например, полупроводнике p-типа) создается проводящий канал из полупроводника противоположного типа. Этот канал соединяет два металлических электрода исток – аналог катода и сток – аналог анода. На третий управляющий электрод – затвор подается напряжение, которое может изменять ток через канал.

Полупроводниковые транзисторы играют большую роль в электронике: с их помощью можно усилить электрический сигнал, создать сигнал нужной формы и т.д.

Особенно эффективной работа полупроводниковых приборов стала после того, как на одной пластине полупроводника научились создавать множество диодов, транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. Такой прибор эквивалентен целой электронной схеме из различных элементов и называется интегральной микросхемой. Современные интегральные микросхемы, например процессоры компьютеров, содержат несколько миллионов транзисторов на одной кремниевой пластине.

Помимо полупроводниковых приборов для усиления и преобразования электрических сигналов используют электровакуумные приборы.

Любой электровакуумный прибор представляет собой герметичный баллон, из которого откачен воздух, и в который помещены металлические электроды с выводами за пределы баллона. Один из электродов – катод подогревается при помощи электрического тока. В результате теплового движения часть электронов вылетает из катода, образуя вблизи него электронное облако. Электрические силы, связывающие вылетевшие электроны с «покинутыми» ядрами, не дают электронному облаку далеко удалиться от катода

Если на второй электрод – анод подать положительное относительно катода напряжение, то электроны начнут притягиваться к аноду и пойдет электрический ток. При смене полярности напряжения ток прекратиться, поскольку анод не может поставлять электронов для создания тока. Диод, таким образом, обладает односторонней проводимостью, что и обеспечивает его нелинейные свойства.

Если в промежутке между катодом и анодом поместить другие электроды, то потоком электронов можно управлять, подавая на эти электроды то, или иное напряжение. Соответствующие электроды называются управляющими электродами. Некоторые из электродов делаются в виде сетки, охватывающей катод, они так и называются сетками. А прибор называется триодом. Управляя потоком электронов, сетки позволяют усиливать электрический сигнал.

Таким образом, электронные схемы могут содержать линейные и пассивные элементы (сопротивления, конденсаторы, трансформаторы) и элементы нелинейные и активные, усиливающие электрический сигнал (электровакуумные лампы и полупроводниковые приборы). В электровакуумных приборах ток переносится электронами от катода к аноду, а его сила регулируется управляющими электродами. Действие полупроводниковых приборов обусловлено явлениями, происходящими на границе полупроводников различных типов.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Варианты ответов: Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

2. Вставьте пропущенные слова:

Диод – электронный элемент, обладающий различной ______________ в зависимости от __________ электрического тока.

Правильный вариант:

Проводимостью, направления.

Устройство и работа биполярного транзистора

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки.

Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов.

У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.

У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter).

Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера.

Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V).

Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).

Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС.

Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току.

Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная.

Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора.

Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление.

Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить.

Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V.

Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V.

А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC.

Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились.

Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся».

Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β.

В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора.

В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы.

В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор.

Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме.

Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках.

Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной.

Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления.

Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше.

Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах.

На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Биполярные транзисторы. For dummies

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru) Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs.

И это была, без преувеличения, революция в электронике. Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры.

И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам. Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу. Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему? Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор. Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31.

Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току.

Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений.

Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц.

Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается.

Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е.

транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт.

   Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.

2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями.

   Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е.

   ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением.

   Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников.

И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки.

Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов. Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом. В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц. В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.

Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей.

Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала.

Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

Список источников:

http://ru.wikipedia.org http://www.physics.ru http://radiocon-net.narod.ru http://radio.cybernet.name http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:

Принцип работы биполярного транзистора

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.  

•  
• База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.
• Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.
• Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база.

Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы.

Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.

Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

 

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора.

Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом  к эмиттеру, а отрицательным к базе.

Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении.

Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его.

  Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы. 

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции. 

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода.

Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу.

Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6.

А так как дырки  поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр.

Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы. 

2. Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1. 
3. Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора. 

Обратный ток коллектора возникает в результате  обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

• От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.
• Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока. 
• Токи в транзисторе можно представить следующим образом
•  
• Основное соотношение для токов транзистора 
• Ток коллектора можно выразить как 

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.33 (9 Голоса)

Биполярный транзистор: принцип работы

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств.

Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии.

 Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы  по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1.  Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы  база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов.  Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном  направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и  имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель  hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером  и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок , ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

Биполярный транзистор  принцип работы

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу.

Таким образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера.

 Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток.

Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток.

Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Устройство и основные физические процессы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n-перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой (Б), один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером (Э), а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором (К).

Дадим схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n

(рис. 1.51, а) и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 1.51, б).

Транзистор типа p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 1.52, а, более простой вариант условного графического обозначения — на рис. 1.52, б.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а в транзисторах типа p-n-p— дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественное своеобразие структуры транзистора

Для определенности обратимся к транзистору типа n-p-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 — 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устройства, обладающего новым качеством: особым образом соединяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента. При изучении дифференциального усилителя станет ясно, что новое качество можно получить при использовании в роли таких элементов уже самих двух транзисторов.

Основные физические процессы в транзисторе

Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концентрация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее.

С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 1.55).

Тогда через эмиттерный переход потечет ток iэ, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы iб. Из изложенного следует, что iб

Как работает транзистор: принцип и устройство

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры.

Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры.

Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т.к.

кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает.

Транзисторы

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

• Б – база, очень тонкий внутренний слой;
• Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
• К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

• n-типа — носителями зарядов являются электроны.
• p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

• Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
• Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
• При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Как работает транзистор — видео

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

История создания первого точечного транзистора

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В 1930-х гг. повсюду господствовали электровакуумные приборы, недостатки которых, такие как громоздкость, нагрев, высокие потребление и время готовности, а также недолговечность, уже начали мешать развитию аппаратуры [1, 2, 3, 4]. Кристаллические диоды имели явные преимущества, поэтому идея создания твердотельных триодов была вполне оправданной.

Рис. 1. Установка Пола и Хилша

Первый трехэлектродный полупроводниковый прибор предложили профессор Гёттингенского университета Роберт Поль (Robert Pohl) и его ученик Рудольф Хилш (Rudolf Hilsch) в 1938 г. (рис. 1) [3, 5, 6, 7]. Это был кристалл бромида калия, имеющий два электрода, катод (К) и анод (А), подключенные к анодной батарее (БА), а также управляющий стержень (аналог сетки) (С) с батареей (БС). Эффект оценивался по гальванометрам (ГС) и (ГА), а также путем визуализации движения электронов в кристалле.

Для повышения электронной эмиссии катода кристалл сильно нагревался, при этом можно было достичь 100-кратного усиления сигнала. Однако рабочая частота не превышала 1 Гц, поскольку скорость движения электронов в проводнике составляла около 2 мм/с, что в миллиард раз меньше, чем в электронной лампе. Таким образом, установка прекрасно подходила для учебного процесса, но никак не могла конкурировать с ламповым триодом, тем более что профессор Поль не желал прилагать никаких усилий для ее патентования и внедрения.

Другой путь управления полупроводником — внешним электростатическим полем — запатентовали в 1930 г. профессор Лейпцигского университета Юлий Лилиенфелд (Julius Lilienfeld), родившийся во Львове, а в 1935 г. другой физик, Оскар Хейл (Oskar Heil), выпускник Гёттингенского университета (рис. 2).

Рис. 2. Транзистор Хейла

Они предложили, если использовать современную терминологию, полевой транзистор в виде полупроводниковой пластины (1) с электродами (2) и (3), соединенными с батареей (4) через гальванометр (5). Сопротивление пластины изменяется посредством напряжения на управляющем электроде (6), прижатом к ней через изолирующий слой [3, 4, 6, 8]. Однако неоднократные попытки построить действующий макет подобного устройства были неудачными.

Всеобщая телефонизация на электромеханических реле и электронных лампах в 1930-х гг. поглощала столь много электро­энергии, что ведущая американская телефонная компания AT&T поставила перед своей лабораторией Bell Labs задачу создания миниатюрных переключателей и усилителей [3, 4, 8, 9, 10]. В 1936 г. с этой целью был нанят физик-теоретик Уильям Шокли (William Shockley), только что защитивший докторскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте (рис. 3).

Рис. 3. Шокли, Браттейн и Бардин

Вместе с ним работал умелый физик-экспериментатор Уолтер Браттейн (Walter Brattain), получивший докторскую степень в университете штата Миннесота [6, 8, 9]. Исследования, проводившиеся с наиболее известным тогда полупроводником — закисью меди, были прерваны войной, когда оба физика переключились на другие проекты. После войны исследователи перешли на германий, однако и он не позволил оживить полевой усилитель, поскольку влияние поля оказалось на три порядка слабее расчетного [3, 8, 9]. Для выяснения причин неудачи Шокли в 1945 г. привлек к исследованиям физика-теоретика Джона Бардина (John Bardeen), защитившего докторскую диссертацию по математической физике в Принстонском университете. Через шесть месяцев Бардин объяснил слабое влияние поля гипотезой поверхностного состояния полупроводника (рис. 4) [3, 6, 8, 9, 10, 11].

Шокли предполагал (рис. 4а), что в полупроводнике n-типа, с которым они работали, наряду с нейтральными атомами +⁻ есть еще и свободные электроны. Под действием электрического поля положительного потенциала на управляющем электроде (У) часть свободных электронов соберется вблизи границы полупровод­ника, образуя электронный канал (ЭК). Тогда приложение положительного потенциала к правому электроду, аналогу анода (А), относительно левого, аналога катода (К), вызовет движение электродов к аноду, т. е. создаст анодный ток. Однако Бардин утверждал, что на самом деле электроны собираются на поверхности материала, лишаются подвижности и создают экранирующий приложенное поле поверхностный заряд (ПЗ), предотвращая его проникновение внутрь материала (рис. 4б). Удовлетворенный таким научным объяснением, Шокли переключился на другие задачи, оставив своим сотрудникам самим искать какой-то выход. И Бардин с Браттейном продолжили упорно экспериментировать с германием [3, 4, 9, 10, 11].

Рис. 4. Гипотеза Бардина:
а) теория;
б) практика

Рис. 5. Первый транзистор

Изначально управляющий электрод был выполнен в виде острой иглы, «протыкающей» поверхностный заряд, который был нейтрализован вокруг иглы каплей электролита, и анод был сделан также в виде иглы, приближенной к управляющему электроду. 16 декабря 1947 г. полупроводниковый усилитель заработал безо всякого электролита после того, как иглы заменили листочками золотой фольги, анодное напряжение переключили с положительного на отрицательное, а поверхность германия анодировали. Был зафиксирован коэффициент усиления по напряжению 15, а по мощности 1,3 [9]. Бардин сразу понял, что здесь носителями электрического тока являются не электроны, а дырки (т. е. атомы, лишенные электрона), которые формируются в базе катодом, названным впоследствии эмиттером, и собираются анодом-коллектором [2]. Именно этот день и считается датой рождения первого трехэлектродного полупроводника — точечного транзистора, название которого в Bell Labs образовали от двух слов, transconductance (переходная проводимость) и varistor [3, 6].

До сих пор не существует теории, достаточно полно описывающей работу как испытанного устройства, так и точечного транзистора вообще, тем более сам макет утрачен и состав примесей германия базы тоже не сохранился [6, 8]. Однако качественно эксперимент может быть объяснен следующим образом (рис. 5, 6) [3, 7, 8, 9, 10, 11].

Пластина (1) германия n-типа на металлическом основании (2) базы была анодирована с образованием поверхностного слоя (3) p-типа, имеющего избыточное количество дырок, т. е. атомов, лишенных одного электрона [2]. К нему был поджат с помощью винта (4) и пружины (5) пластмассовый треугольник (6), оклеенный разрезанной бритвой золотой фольгой, образующей эмиттер (7) и коллектор (8), разделенные промежутком всего в 50 микрон.

На рис. 6 эмиттер (Э) соединен с базой (Б) через генератор входного сигнала (Г) и эмиттерную батарею (БЭ), а коллектор (К) запитан от коллекторной батареи (БК) через сопротивление нагрузки R_н. Эмиттер, имеющий положительный потенциал, вытягивает электроны базы, непрерывно создавая в поверхностном слое новые дырки. Говорят, что эмиттер «инжектирует» дырки в базу, часть которых рекомбинирует с электронами базы, создавая базовый ток, а часть мигрирует к коллектору, имеющему отрицательный потенциал, рекомбинируется с его электронами и образует коллекторный ток [8, 10]. Ток коллектора меньше тока эмиттера за счет тока базы. Следовательно, данная схема не усиливает ток, а усиление напряжения объясняется тем, что выбрано существенно большее сопротивление нагрузки R_н, чем сопротивление эмиттер-база. Это и подтверждается коэффициентами усиления, измеренными Бардином и Браттейном и указанными выше.

Рис. 6. Схема включения

В канун Рождества 1947 г. макет был продемонстрирован руководству Bell Labs в виде звукового усилителя с наушниками, после чего было принято решение его засекретить, срочно запатентовать и коммерчески использовать [3, 4, 8, 9, 10, 11]. Шокли настаивал на заявке усилителя с управляемым полем, однако патентоведы компании категорически возражали, опасаясь патента Лилиенфелда, и, кроме того, рекомендовали не включать в состав авторов самого Шокли, известного своими ранними публикациями по полупроводникам. С учетом и того, что Шокли не принимал активного участия в исследовании на решающем этапе, в патенте на точечный транзистор с приоритетом от 26 февраля 1948 г. были указаны только два автора — Бардин и Браттейн. Это, конечно, внесло разлад в группу Шокли, которая вскоре распалась. Противоречия были отчасти сглажены после того, как в 1956 г. Шокли, Бардину и Браттейну была присуждена Нобелевская премия за открытие транзисторного эффекта, что отражало ключевую роль Шокли в изобретении другого транзистора — биполярного, о чем будет подробнее рассказано в следующей статье. Бардин перешел в университет Иллинойса, начал заниматься сверхпроводимостью и стал первым физиком, получившим две Нобелевские премии [4].

Параллельно с Bell Labs точечный транзистор при поддержке французского правительства в парижском филиале компании Westinghouse создали немецкие физики Герберт Матаре (Herbert Mataré) и Генрих Велкер (Heinrich Welker) — под названием транзистрона (рис. 7), содержащего германиевый кристалл базы (Б) с контактами эмиттера (Э) и коллектора (К) в керамической трубке (1) с окном (2) [3, 4, 6].

Рис. 7. Транзистрон

Патент на это устройство был оформлен на шесть месяцев позже Бардина и Браттейна, однако немецкие ученые работали вполне самостоятельно, поскольку все материалы Bell Labs были еще засекречены. Мелкосерийное производство транзистронов для телефонной связи началось в 1949 г. Точечные транзисторы были также независимо созданы в Праге в 1949 г. из немецких кристаллов германия [7].

В СССР полупроводниковые приборы начали развиваться после войны, прежде всего для нужд радиолокации, однако германий здесь не производился, и первый точечный транзистор был создан в 1949 г. в НИИ «Исток» из пластины германия от немецкого прибора. Работа проводилась под руководством Александра Викторовича Красилова в рамках дипломного проекта Сусанны Гукасовны Мадоян [3]. Оба они сыграли видную роль в становлении отечественной электроники.

Рис. 8. Первый серийный транзистор

Компания AT&T начала серийное производство точечных транзисторов типа А в 1951 г., однако для этого потребовалось разработать совсем другую конструкцию в корпусе диаметром 6 мм (рис. 8) с контактами из бронзы с присадками фосфора, поскольку макет Браттейна и Бардина не давал повторяемости характеристик [3, 4, 6, 9].

Учитывая малогабаритность, экономичность и надежность транзистора, компания рассчитывала на массовое военное применение и организовала в июне 1948 г. публичную демонстрацию нового элемента [3, 6, 8, 10]. Однако представители Пентагона не проявили никакого интереса к кристаллу с торчащими проволочками и порекомендовали применить его в слуховых аппаратах. Неожиданно это сыграло важную роль в коммерческом успехе транзистора, поскольку гриф секретности был снят, что позволило Bell Labs опубликовать описание транзистора в научных журналах и начать широкую рекламную кампанию. Однако по антимонопольному законодательству компанию обязали продавать лицензию на производство нового прибора любому предприятию без взимания платы (роялти) за патенты Bell Labs. Эту лицензию по цене $25 тыс. приобрели сорок ведущих американских и иностранных компаний [3, 9].

Точечные транзисторы в первую очередь стали применять в бытовой аппаратуре: в слуховых аппаратах и электронных наручных часах (1952 г.), медицинских приборах (1957 г.), а также в телефонии и, с начала 1960-х гг., в радиовзрывателях [3, 4, 10]. В 1954 г. компания Texas Instruments выпустила первый радиоприемник Regency на основе трех транзисторов. Однако годом раньше Валкер и Матаре разработали аналогичный приемник на транзистронах. В разразившейся тогда холодной войне транзисторные приемники сразу стали весьма популярны как средство предупреждения о возможной атомной бомбардировке [4]. Такие приемники также пользовались бешеным успехом у молодежи в связи с расцветом рок-н-ролла. В СССР производство транзисторов началось в 1953 г., и предназначались они только для военной аппаратуры [3].

Однако выпуск точечных транзисторов сопровождался большим браком и продолжался не более 10 лет. На смену им пришли биполярные транзисторы, изобретенные Шокли и имеющие гораздо более хорошие характеристики [9].

Транзисторы — основные элементы управления современной цивилизации. Уже к концу ХХ в., по оценке Гордона Мура, их ежегодно производилось больше, чем насчитывала вся популяция муравьев на планете [7]. Причем если первый точечный транзистор, продемонстрированный Bell Labs, был длиной около 2 см, то нынешний — 10 нм, что позволяет размещать 100 млн транзисторов на пластине в 1 кв. мм [12]. Однако это уже совсем другие транзисторы.

---

• Первая попытка Поля и Хирша создать твердотельный триод в виде копии электронной лампы была безуспешной в связи с низкой скоростью движения электронов в полупроводнике.
• Подход, предложенный Лилиенфелдом и Хейлом по управлению электронами внешним электрическим полем, был реализован лишь во второй половине ХХ в. в полевом транзисторе.
• Многолетние усилия американских физиков во главе с Шокли привели к изобретению Бардином и Браттейном в 1948 г. точечного транзистора, действующего на другом принципе — дырочной проводимости в полупроводнике.
• Аналогичный транзистор (транзистрон) был независимо от американцев создан немецкими физиками Велкером и Матаре, однако массовое производство и коммерческое внедрение развернулось прежде всего в США.
• Выпуск и применение точечных транзисторов преимущественно для бытовой техники продолжались не более десяти лет в связи с появлением более совершенных биполярных транзисторов.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Литература

1. Микеров А. Г. Появление электронных усилителей // Control Engineering Россия. 2020. № 1 (85).
2. Микеров А. Г. Первые полупроводниковые приборы // Control Engineering Россия. 2020. № 5 (89).
3. Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций: на пути к информационному обществу. История развития электроники в XX столетии. М.: Либроком, 2012.
4. Guarnieri M. Seventy years of getting transistorized // IEEE Industrial Electronics Magazine. Dec. 2017.
5. Eckert M., Schubert H. Crystals, electrons, transistors. N.Y.: American Institute of Physics, 1990.
6. Рождественские истории. День рождения транзистора.
7. Lee T. H. The (Pre-) History of the Integrated Circuit: A Random Walk. IEEE Portal, Solid State Circuits Society, Spring 2007.
8. Riordan M., Hoddeson L., Herring C. The invention of the transistor // Reviews of Modern Physics. V. 71. No 2. Centenary 1999.
9. Lojek B. History of Semiconductor Engineering. N.Y.: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.
10. Носов Ю. Транзистор — наше все. К истории великого открытия // Электроника НТБ. 2008. №2.
11. Łukasiak L., Jakubowski A. History of Semiconductors // Journal of Telecommunications and information Technology. 2010. No 1.
12. https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/processors/intel-now-packs-100-million-transistors-in-each-square-millimeter.

Полупроводниковый транзистор

— История полупроводникового транзистора

Современный электронный транзистор — это полупроводниковое устройство, обычно используемое для усиления или переключения электронных сигналов. Транзистор сделан из цельного куска полупроводникового материала, по крайней мере, с тремя выводами для подключения к внешней цепи. Напряжение или ток, приложенные к одной паре выводов транзистора, изменяют ток, протекающий через другую пару выводов. Поскольку контролируемая (выходная) мощность может быть намного больше управляющей (входной) мощности, транзистор обеспечивает усиление сигнала.Транзистор является основным строительным блоком современных электронных устройств и используется в радио, телефонах, компьютерах и других электронных системах. Некоторые транзисторы упакованы индивидуально, но большинство из них находится в интегральных схемах.

Как это часто бывает со многими изобретениями, транзистор является результатом работы многих изобретателей, и только последний или самый умный получает всю славу. В данном случае это были американцы Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, получившие Нобелевскую премию по физике в 1956 году за изобретение транзистора, который был назван самым важным изобретением ХХ века

Но кто был первым?

Начало исследований в области полупроводников ознаменовано отчетом Майкла Фарадея 1833 года об отрицательном температурном коэффициенте сопротивления сульфида серебра.Это первое наблюдение любого свойства полупроводника. В своей статье 1833 года «Экспериментальные исследования электричества» Фарадей (см. Портрет рядом) раскрыл это наблюдение. Это наблюдение отличалось от обычных свойств металлов и электролитов, в которых сопротивление возрастает с температурой.

Следующим крупным исследователем полупроводников является французский физик-экспериментатор Эдмон Беккерель. В 1839 году он сообщил о наблюдении фотоэдс в платиновых электродах, покрытых хлоридом серебра.В его эксперименте платиновый электрод, покрытый AgCl, был погружен в водный раствор азотно-кислотного электролита. Освещение электрода генерировало фотоэдс, которое изменяло ЭДС, создаваемую ячейкой, фактически оно создавало восстановительный (катодный) фототок на электроде, покрытом AgCl; это было первое зарегистрированное фотоэлектрическое устройство. Фотоэдс создавалось на контакте металл-полупроводник Ag / AgCl.

В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит (1828–1891) (см. Портрет рядом) открыл фотопроводимость селена.Первоначально он работал с подводными кабелями. Он начал эксперименты с селеном из-за его высокого сопротивления, что оказалось подходящим для его подводной телеграфии. Различные экспериментаторы измеряли сопротивление селеновых стержней, но сопротивление, измеренное ими в различных условиях, совершенно не согласовывалось. Затем Смит обнаружил, что сопротивление фактически зависит от интенсивности падающего света. Когда селеновые стержни были помещены в коробку с закрытой сдвижной крышкой, сопротивление было максимальным.Когда на пути света помещались очки разных цветов, сопротивление варьировалось в зависимости от количества света, проходящего через стекло. Но когда крышку сняли, проводимость увеличилась. Он также обнаружил, что эффект не был вызван колебаниями температуры.

В 1874 году немецкий физик Фердинанд Браун (см. Портрет рядом), 24-летний выпускник Берлинского университета, изучал характеристики электролитов и кристаллов, проводящих электричество, в Вюрцбургском университете.Когда он исследовал кристалл галенита (сульфида свинца) острием тонкой металлической проволоки, Браун заметил, что ток свободно течет только в одном направлении. Он обнаружил эффект выпрямления в точке контакта между металлами и некоторыми кристаллическими материалами.
Браун продемонстрировал это полупроводниковое устройство аудитории в Лейпциге 14 ноября 1876 года, но оно не нашло полезного применения до появления радио в начале 1900-х годов, когда оно использовалось в качестве детектора сигнала в «кристаллическом радиоприемнике».Распространенное описательное название «детектор кошачьих усов» происходит от тонкого металлического зонда, используемого для электрического контакта с поверхностью кристалла. Браун более известен своей разработкой осциллографа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) в 1897 году, известной как «трубка Брауна» ( Braunsche Röhre на немецком языке). Он разделил Нобелевскую премию 1909 года с Гульельмо Маркони за его вклад в развитие беспроводной телеграфии , в основном за разработку настраиваемых схем для радиоприемников.

Первым человеком, применившим полупроводники в практических целях, был бенгальский эрудит сэр Джагадиш Чандра Бозе (1858-1937). Джагадиш Чандра Бос (см. Портрет рядом) был гениальным физиком, биологом, ботаником, археологом и писателем-фантастом. Для приема излучения он использовал множество различных металлических полупроводниковых переходов, последовательно подключенных к высокочувствительному гальванометру. Он изобрел несколько полупроводниковых устройств, первым из которых был его детектор Galena , который он изобрел некоторое время в 1894-1898 годах и продемонстрировал в дискурсе Королевского института в 1900 году.В этом устройстве пара точечных контактов (кошачьих усов), в данном случае галенита, была соединена последовательно с источником напряжения и гальванометром. Это устройство могло обнаруживать любое излучение, волн Герца, световые волны и другое излучение . Он назвал свой точечный контактный детектор галенита «искусственной сетчаткой» (потому что при соответствующем расположении он мог бы обнаруживать только световые волны), универсальным радиометром. Позже компания Bose получила первый в мире патент на полупроводниковое устройство, а именно на детектор Galena .Среди других его новаторских твердотельных полупроводниковых приемников — спиральный пружинный когерер и железо-ртутный железный когерер (детектор) с телефоном.

Между 1902 и 1906 годами инженер-электрик компании American Telephone and Telegraph Гринлиф Уиттиер Пикард (1877–1956) (см. Портрет рядом) испытал тысячи образцов минералов, чтобы оценить их ректификационные свойства. Кристаллы кремния от Westinghouse дали одни из лучших результатов. 20 августа 1906 года он подал U.Патент С. на «Средство для получения интеллектуальной связи с помощью электрических волн» на кремниевый точечный детектор (диод) был присужден в ноябре того же года (см. Патент США 836531 Пикард). Вместе с двумя партнерами Пикард основал компанию Wireless Specialty Apparatus Company для продажи кристаллических радиодетекторов «кошачьих усов». Вероятно, это была первая компания, которая производила и продавала кремниевые полупроводниковые устройства. Другой американский изобретатель — Генри Данвуди получил патент на систему с точечным детектором из карборунда (карбида кремния) всего через несколько недель после Пикарда.

В 1915 году американский физик Мэнсон Бенедикс обнаружил, что кристалл германия можно использовать для преобразования переменного (переменного тока) тока в постоянный (постоянный ток), то есть для выпрямляющих свойств кристаллов германия. Таким образом, германий был добавлен к списку полупроводников. До этого это был небольшой список, состоящий из кремния, селена и теллура.

В 1927 году американцы Л.О. Грондал и П. Гейгер изобрел выпрямитель из оксида меди. Патент США 1640335 был выдан Грондалу 23 августа 1927 года.

В 1925 году знаменитый изобретатель Юлиус Лилиенфельд (см. Фото рядом) подал заявку на патент в Канаде, а в следующем году в США, описывая устройство, очень похожее на транзистор MESFET, которое он тогда назвал Method and Apparatus for Controlling Electric. Токи (см. Патент США 1745175 Лилиенфельда).
Юлиус Эдгар Лилиенфельд (1882–1963) был выдающимся человеком в области физики и электроники. Австрийский еврей Лилиенфельд родился в Лемберге в Австро-Венгрии (ныне Львов в Украине).Он получил образование (доктор физико-математических наук) и прожил в Германии до середины 1920-х годов, когда решил эмигрировать в США. Помимо вышеупомянутого патента на первый транзистор, он был держателем нескольких других патентов в этой области — патента США 18 «Устройство для управления электрическим током» от 1928 года на тонкопленочный MOSFET-транзистор; Патент США 1877140 «Усилитель электрического тока» от 1928 года на твердотельное устройство, в котором ток регулируется пористым металлическим слоем, твердотельная версия вакуумной лампы; Патент США 2013564 «Электролитический конденсатор» от 1931 года на первый электролитический конденсатор.Когда Браттейн, Бардин и Шокли пытались получить патент на свой транзистор, большинство их требований было отклонено именно из-за патентов Лилиенфельда.

В 1934 году другой немецкий ученый — Оскар Хайль (1908–1994), инженер-электрик и изобретатель, подал заявку на получение в Германии патента на раннее транзисторное устройство, описывающее возможность управления сопротивлением в полупроводниковом материале с помощью электрического поля. которую он назвал «Усовершенствования в электрических усилителях и других устройствах и устройствах управления» или ««.В 1935 году Хайль получил британский (см. Рисунок из британского патента), бельгийский и французский патенты на свое устройство.

В 1939 году Уильям Шокли и Уолтер Браттейн исследователи из Bell Telephone Labs в Нью-Джерси предприняли неудачную попытку построить полупроводниковый усилитель, вставив крошечную управляющую сетку в слой оксида меди. Вторая мировая война положила конец их экспериментам. Однако в 1947 году тот же Браттейн, на этот раз вместе с Джоном Бардином, изобрел точечный транзистор (см. Фото первого транзистора, сделанного из германия).Уильяма Шокли (руководителя группы) в то время там не было, и он не получил признания за изобретение, что сильно его разозлило. Это хорошо. Точечный транзистор был сложен в изготовлении и не очень надежен. Это был не тот транзистор, который хотел Шокли, поэтому он продолжил работу над своей собственной идеей, которая привела к переходному транзистору , который было проще в изготовлении и который работал лучше. Бардин и Браттейн подали заявку на патент 17 июня 1948 года, а патент был выдан 3 октября 1950 года (см. Патент).

Уильям Шокли подал заявку на свой первый патент на переходной транзистор почти одновременно — в США. Патент 2569347 был подан 26 июня 1948 г. и выдан 25 сентября 1951 г. (см. Первый патент Шокли).

Джон Бардин (1908–1991), Уильям Брэдфорд Шокли (1910–1989) и Уолтер Хаузер Браттейн (1902–1987) (см. Нижнюю фотографию) разделили Нобелевскую премию по физике в 1956 году «за исследования полупроводников и их открытие транзисторного эффекта ».

Бардин (слева), Шокли (в центре) и Браттейн (справа)

Так как же работает транзистор?

Конструкция транзистора позволяет ему работать как усилитель или переключатель. Это достигается за счет использования небольшого количества электричества для управления затвором при гораздо большей подаче электроэнергии, что очень похоже на поворот клапана для управления подачей воды. Транзисторы
состоят из трех частей, называемых базой , коллектором и эмиттером .База — это устройство управления затвором для более мощного источника питания. Коллектор — это более крупный источник питания, а эмиттер — выход для этого источника. Посылая переменные уровни тока от базы, можно регулировать количество тока, протекающего через затвор от коллектора. Таким образом, очень небольшое количество тока может использоваться для управления большим током, как в усилителе. Тот же процесс используется для создания двоичного кода для цифровых процессоров, но в этом случае необходим порог напряжения в пять вольт, чтобы открыть коллекторный затвор.Таким образом, транзистор используется как переключатель с двоичной функцией: пять вольт — включено, менее пяти вольт — выключено.

транзистор: Типы транзисторов | Infoplease

Транзистор представляет собой набор полупроводниковых материалов, которые имеют общие физические границы. Чаще всего используются кремний, арсенид галлия и германий, в которые были введены примеси с помощью процесса, называемого легированием . В полупроводниках типа n примеси или легирующие примеси приводят к избытку электронов или отрицательным зарядам; в полупроводниках типа p легирующие примеси приводят к недостатку электронов и, следовательно, к избытку положительных носителей заряда или дырок.

Переходный транзистор n-p-n состоит из двух полупроводников типа n (называемых эмиттером и коллектором), разделенных тонким слоем полупроводника типа p (называемого базой). Действие транзистора таково, что если электрические потенциалы на сегментах определены правильно, небольшой ток между соединениями базы и эмиттера приводит к большому току между соединениями эмиттера и коллектора, что приводит к усилению тока.Некоторые схемы предназначены для использования транзистора в качестве переключающего устройства; Ток в переходе база-эмиттер создает путь с низким сопротивлением между коллектором и эмиттером. Переходный транзистор p-n-p , состоящий из тонкого слоя полупроводника типа n , лежащего между двумя полупроводниками типа p , работает таким же образом, за исключением того, что все полярности поменяны местами.

Очень важным типом транзистора, разработанным после переходного транзистора, является полевой транзистор (FET).Он практически не потребляет мощность от входного сигнала, преодолевая главный недостаток переходного транзистора. Полевой транзистор с каналом n состоит из стержня (канала) из полупроводникового материала типа n , который проходит между двумя небольшими участками материала типа p рядом с его центром и контактирует с ними. Клеммы, прикрепленные к концам канала, называются истоком и стоком; те, которые присоединены к двум областям типа p , называются воротами. Напряжение, приложенное к затворам, направлено таким образом, чтобы не было тока на переходах между материалами типа p — и n ; по этой причине его называют обратным напряжением.Изменения величины обратного напряжения вызывают изменения сопротивления канала, позволяя обратному напряжению управлять током в канале. Устройство с каналом p работает так же, но с обратной полярностью.

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) представляет собой вариант, в котором одиночный затвор отделен от канала слоем оксида металла, который действует как изолятор или диэлектрик. Электрическое поле затвора распространяется через диэлектрик и регулирует сопротивление канала.В этом устройстве входной сигнал, который подается на затвор, может увеличивать ток через канал, а также уменьшать его.

Колумбийская электронная энциклопедия, 6-е изд. Авторское право © 2012, Columbia University Press. Все права защищены.

Дополнительные статьи в энциклопедии: Электротехника

Двумерные полупроводники для транзисторов | Nature Reviews Materials

1

Мур, Г. Э. Втиснуть больше компонентов в интегральные схемы. Электроника 38 , 114–177 (1965).

Google ученый

2

Dennard, R.H., Gaensslen, F.H., Rideout, V.L., Bassous, E. & LeBlanc, A.R. Разработка ионно-имплантированных полевых МОП-транзисторов с очень маленькими физическими размерами. IEEE J. Solid-State Circ. 9 , 256–268 (1974).

Артикул Google ученый

3

Мистри, К. и др. .Логическая технология 45 нм с транзисторами с металлическим затвором high-k ⁺ , напряженным кремнием, 9 соединительными слоями из меди, сухой структурой 193 нм и 100% бессвинцовой упаковкой. IEEE Int. Встреча электронных устройств. 247–250 (IEEE, 2007).

Google ученый

4

Картрайт, Дж. Intel входит в третье измерение. Nature http://www.nature.com/news/2011/110506/full/news.2011.274.html (2011).

5

Уолдроп, М.М. Фишки по закону Мура упали. Природа 530 , 144–147 (2016).

Артикул CAS Google ученый

6

Феррен, И., Колинг, К. А. и Колинг, Ж.-П. Многозатворные транзисторы как будущее классических полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник. Природа 479 , 310–316 (2011).

Артикул CAS Google ученый

7

Колинг, Дж.P. КНИ МОП-транзисторы с несколькими затворами. Solid State Electron. 48 , 897–905 (2004).

Артикул CAS Google ученый

8

The International Technology Roadmap for Semiconductors: Update 2012, http://www.itrs2.net/ (ITRS, 2012).

9

Дель Аламо, Дж. А. Электроника нанометрового масштаба с полупроводниковыми соединениями AIIIBV. Природа 479 , 317–323 (2011).

Артикул CAS Google ученый

10

Колинг, Дж.P. in FinFETs and Other Multi-Gate Transistors (ed Colinge, J.P) 1–48 (Springer, 2007).

Google ученый

11

Хуанг, Х. и др. . Sub 50-нм FinFET: PMOS. Тех. Копать землю. Int. Встреча электронных устройств. 67–70 (IEEE, 1999).

Google ученый

12

Jan, C.-H. и др. . Технология платформы SoC 22 нм, включающая 3-D tri-gate и high-k / metal gate, оптимизированная для приложений SoC со сверхнизким энергопотреблением, высокой производительностью и высокой плотностью. IEEE Int. Встреча электронных устройств. 3.1.1–3.1.4 (IEEE, 2012).

13

Радосавлевич, М. и др. . Улучшение электростатики в трехмерных трехзатворных полевых транзисторах с ультратонким корпусом планарных InGaAs с квантовыми ямами с диэлектриком затвора с высоким K и масштабированным разделением затвор-сток / затвор-исток. IEEE Int. Встреча электронных устройств. 33.1.1–33.1.4 (IEEE, 2011).

14

Ю. Б. и др. . in Ультратонкие полевые МОП-транзисторы с кремнием на изоляторе для интеграции в терабитном масштабе. Proc. Int. Semiconductor Dev. Res. Symp. 623–626 (инженерная академическая работа, 1997).

Google ученый

15

Li, G.-W. и др. . Ультратонкие полевые транзисторы с квантовыми ямами из GaN-на-изоляторе с восстановленными омическими контактами. IEEE Electron Device Lett. 33 , 661–663 (2012).

Артикул CAS Google ученый

16

Йена, Д.Туннельные транзисторы на основе графена и 2D кристаллов. Proc. IEEE 101 , 1585–1602 (2013).

Артикул CAS Google ученый

17

Канг, Дж. Х. и др. . Графен и двумерные кристаллы за пределами графена для зеленой электроники следующего поколения. Proc. SPIE 9083 , 5 (2014).

Артикул CAS Google ученый

18

Новоселов, К.С. и др. . Эффект электрического поля в атомарно тонких углеродных пленках. Наука 306 , 666–669 (2004).

CAS Статья Google ученый

19

Avouris, P. et al. . Быстрая электроника и оптоэлектроника на основе графена. IEEE Int. Встреча электронных устройств. 23.1.1–23.1.4 (IEEE, 2010).

20

Ляо, Л. и др. . Графеновые транзисторы с длиной канала менее 100 нм. Nano Lett. 10 , 3952–3956 (2010).

Артикул CAS Google ученый

21

Ляо, Л. и др. . Высокоскоростные графеновые транзисторы с самовыравнивающимся затвором из нанопроволоки. Природа 467 , 305–308 (2010).

Артикул CAS Google ученый

22

Ся, Ф. и др. . Сверхбыстрый графеновый фотоприемник. Nat. Nanotechnol. 4 , 839–843 (2009).

Артикул CAS Google ученый

23

Бонаккорсо, Ф., Сан, З., Хасан, Т. и Феррари, А.С. Графеновая фотоника и оптоэлектроника. Nat. Фотоника 4 , 611–622 (2010).

Артикул CAS Google ученый

24

Дин, К. Р. и др. . Подложки из нитрида бора для высококачественной графеновой электроники. Nat. Nanotechnol. 5 , 722–726 (2010).

Артикул CAS Google ученый

25

Йена, Д. и Конар, А. Повышение подвижности носителей в полупроводниковых наноструктурах с помощью диэлектрической инженерии. Phys. Rev. Lett. 98 , 136805 (2007).

Артикул CAS Google ученый

26

Cui, X. et al. .Многопунктовые транспортные измерения MoS2 с использованием платформы гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Nat. Nanotechnol. 10 , 534–540 (2015).

Артикул CAS Google ученый

27

Ван, К. Х., Калантар-Заде, К., Кис, А., Колман, Дж. Н. и Страно, М. С. Электроника и оптоэлектроника двумерных дихалькогенидов переходных металлов. Nat. Nanotechnol. 7 , 699–712 (2012).

Артикул CAS Google ученый

28

Fiori, G. et al. . Электроника на основе двухмерных материалов. Nat. Nanotechnol. 9 , 768–779 (2014).

Артикул CAS Google ученый

29

Ван, Х. и др. . Интегральные схемы на основе двухслойных транзисторов MoS2. Nano Lett. 12 , 4674–4680 (2012).

Артикул CAS Google ученый

30

Натори К. Полевой транзистор с баллистическим металлооксидным полупроводником. J. Appl. Phys. 76 , 4879–4890 (1994).

Артикул CAS Google ученый

31

Натори К. Предел масштабирования МОП-транзистора: баллистический МОП-транзистор. ICICE Elect. Пер. E84C , 1029–1036 (2001).

Google ученый

32

Xu, X., Yao, W., Xiao, D. & Heinz, T. F. Спин и псевдоспины в слоистых дихалькогенидах переходных металлов. Nat. Phys. 10 , 343–350 (2014).

Артикул CAS Google ученый

33

Rodwell, M. et al. Конструкции каналов полевых транзисторов III – V для высоких плотностей тока и тонких инверсионных слоев. Device Res.Conf (DRC) 149–152 (IEEE, 2010).

34

Радисавлевич, Б., Раденович, А., Бривио, Дж., Джакометти, В. и Кис, А. Однослойные транзисторы MoS2. Nat. Nanotechnol. 6 , 147–150 (2011).

Артикул CAS Google ученый

35

Фюрер М.С. и Хоун Дж. Измерение подвижности двухзатворного транзистора MoS2. Nat. Nanotechnol. 8 , 146–147 (2013).

Артикул CAS Google ученый

36

Уилсон, Дж. А. и Йоффе, А. Д. Обсуждение и интерпретация оптических, электрических и структурных свойств дихалькогенидов переходных металлов. Adv. Phys. 18 , 193–335 (1969).

Артикул CAS Google ученый

37

Chhowalla, M. et al. . Химия двумерных слоистых нанолистов из дихалькогенидов переходных металлов. Nat. Chem. 5 , 263–275 (2013).

Артикул Google ученый

38

Кастро Нето, А. Х., Гвинея, Ф., Перес, Н. М. Р., Новоселов, К. С., Гейм, А. К. Электронные свойства графена. Ред. Мод. Phys. 81 , 109 (2009).

Артикул CAS Google ученый

39

Швирц Ф. Графеновые транзисторы: состояние, перспективы и проблемы. Proc. IEEE 101 , 1567–1584 (2013).

Артикул CAS Google ученый

40

Фанг, Т., Конар, А., Син, Х. и Йена, Д. Подвижность в полупроводниковых графеновых нанолентах: рассеяние фононов, примесей и шероховатости краев. Phys. Ред. B: Конденс. Дело 78 , 205403 (2008).

Артикул CAS Google ученый

41

Hwang, W.С. и др. . Полевые транзисторы с графеновой нанолентой в масштабе пластины, эпитаксиальный графен на подложках SiC. APL Mater. 3 , 011101 (2015).

Артикул CAS Google ученый

42

Чау Р., Дойл Б., Датта С., Кавальерос Дж. И Чжан К. Интегрированная наноэлектроника будущего. Nat. Матер. 6 , 810–812 (2007).

Артикул CAS Google ученый

43

Радосавлевич, М. и др. . Высокопроизводительные полевые транзисторы InSb с p-каналом с компрессионно-деформированными квантовыми ямами и длиной затвора 40 нм для маломощных (VCC = 0,5 В) логических приложений. IEEE Int. Встреча электронных устройств. 1–4 (IEEE, 2008).

44

Подзоров В., Гершенсон М. Э., Клок Ч., Зейс Р. и Бухер Э. Высокоподвижные полевые транзисторы на основе дихалькогенидов переходных металлов. Заявл. Phys. Lett. 84 , 3301 (2004).

Артикул CAS Google ученый

45

Мак, К.Ф., Ли, К., Хоун, Дж., Шан, Дж. И Хайнц, Т. Ф. Атомно тонкий MoS2: новый прямозонный полупроводник. Phys. Rev. Lett. 105 , 136805 (2010).

Артикул CAS Google ученый

46

Юн Ю., Ганапати К. и Салахуддин С. Насколько хороши могут быть однослойные транзисторы MoS2? Nano Lett. 11 , 3768 (2011).

Артикул CAS Google ученый

47

Фанг, Х. и др. . Высокопроизводительные однослойные p-полевые транзисторы WSe2 с химически легированными контактами. Nano Lett. 12 , 3788–3792 (2012).

Артикул CAS Google ученый

48

Ван, Х. и др. . Интегральные схемы на двухслойных транзисторах MoS2. Nano Lett. 12 , 4674–4680 (2012).

Артикул CAS Google ученый

49

Дас, С., Чен, Х.-Й., Пенумача, А.В., Аппенцеллер, Дж. Высокоэффективные многослойные MoS2-транзисторы со скандиевыми контактами. Nano Lett. 13 , 100–105 (2012).

Артикул CAS Google ученый

50

Ларентис, С., Фаллахазад, Б. и Тутук, Э. Полевые транзисторы и собственная подвижность в ультратонких слоях MoSe2. Заявл. Phys. Lett. 101 , 223104 (2012).

Артикул CAS Google ученый

51

Радисавлевич, Б.И Кис, А. Инженерия мобильности и переход металл – изолятор в монослое MoS2. Nat. Матер. 12 , 815–820 (2013).

Артикул CAS Google ученый

52

Фанг, Х. и др. . Вырожденное легирование калием нескольких слоистых дихалькогенидов переходных металлов n-типа. Nano Lett. 13 , 1991–1995 (2013).

Артикул CAS Google ученый

53

Ду, Ю. и др. . Полевые транзисторы MoS2 с гетероконтактами графен / металл. IEEE Electron Device Lett. 35 , 599–601 (2014).

Артикул CAS Google ученый

54

Allain, A. & Kis, A. Подвижности электронов и дырок в однослойном WSe2. ACS Nano 8 , 7180–7185 (2014).

Артикул CAS Google ученый

55

Джо, С., Убриг, Н., Бергер, Х., Кузьменко, А. Б., Морпурго, А. Ф. Моно- и двухслойные светоизлучающие транзисторы WS2. Nano Lett. 14 , 2019–2025 (2014).

Артикул CAS Google ученый

56

Линь Ю.-Ф. и др. . Амбиполярные транзисторы MoTe2 и их применение в логических схемах. Adv. Матер. 26 , 3263–3269 (2014).

Артикул CAS Google ученый

57

Прадхан, Н.Р. и др. . Амбиполярные полевые транзисторы из диселенида молибдена: полевой эффект и холловские подвижности. ACS Nano 8 , 7923–7929 (2014).

Артикул CAS Google ученый

58

Джаривала Д., Сангван В. К., Лаухон Л. Дж., Маркс Т. Дж. И Херсам М. С. Новые устройства для полупроводниковых двумерных дихалькогенидов переходных металлов. АСУ Нано 8 , 1102–1120 (2014).

Артикул CAS Google ученый

59

Гонг, К. и др. . Электрический контроль спина в однослойных полевых транзисторах WSe2. Нанотехнологии 25 , 435201 (2014).

Артикул CAS Google ученый

60

Каппера Р. и др. . Фазовые низкоомные контакты для ультратонких транзисторов MoS2. Nat. Матер. 13 , 1128–1134 (2014).

Артикул CAS Google ученый

61

Шимдт, Х., Джустиниано, Ф. и Эда, Г. Электронные транспортные свойства полевых устройств на основе дихалькогенидов переходных металлов: поверхностные и межфазные эффекты. Chem. Soc. Ред. 44 , 7715–7736 (2015).

Артикул Google ученый

62

Лю Х., Neal, A. T., Zhu, Z., Tomanek, D. & Ye, P. D. Фосфорен: неизученный двумерный полупроводник с высокой подвижностью дырок. АСУ Нано 8 , 4033–4041 (2014).

Артикул CAS Google ученый

63

Кениг С. П. и др. . Эффект электрического поля в ультратонком черном фосфоре. Заявл. Phys. Lett. 104 , 103106 (2014).

Артикул CAS Google ученый

64

Li, L. и др. . Полевые транзисторы с черным фосфором. Nat. Nanotechnol. 9 , 372–377 (2014).

Артикул CAS Google ученый

65

Buscema, M. et al. . Быстрый и широкополосный фотоотклик малослойных полевых транзисторов с черным фосфором. Nano Lett. 14 , 3347–3352 (2014).

Артикул CAS Google ученый

66

Ся, Ф., Ван, Х. и Цзя, Й. Новое открытие черного фосфора: уникальный анизотропный 2D-материал для оптоэлектроники и электроники. Nat. Commun. 5 , 4458 (2014).

Артикул CAS Google ученый

67

Das, S. et al . Регулируемый транспортный зазор в фосфорене. Nano Lett. 14 , 5733–5739 (2014).

Артикул CAS Google ученый

68

Лю Х. и др. . Эффект диэлектрического покрытия на многослойных фосфореновых транзисторах: настройка высоты барьера Шоттки. IEEE Electron Device Lett. 35 , 795–797 (2014).

Артикул CAS Google ученый

69

Deng, Y. et al. . P − n-диод на гетеропереходе Ван-дер-Ваальса с черным фосфором и монослоем MoS2. ACS Nano 8 , 8292–8299 (2014).

Артикул CAS Google ученый

70

Ван Х. и др. . Радиочастотные транзисторы с черным фосфором. Nano Lett. 14 , 6424–6429 (2014).

Артикул CAS Google ученый

71

Haratipour, N., Robbins, M.C. & Koester, S.J. p-MOSFET с черным фосфором, с диэлектриком затвора HfO2 7 нм и низким контактным сопротивлением. IEEE Electron. Device Lett. 36 , 411–413 (2015).

Артикул CAS Google ученый

72

Ду, Ю. и др. . Перспективы устройства полевых транзисторов с черным фосфором: контактное сопротивление, амбиполярное поведение и масштабирование. ACS Nano 8 , 10035–10042 (2014).

Артикул CAS Google ученый

73

Xiong, K., Luo, X. & Huang, J. C. M. Полевые транзисторы из фосфора — перспективные транзисторы на основе нескольких слоев атомов фосфора. IEEE MTT-S Int. СВЧ Мастерская Сер. Adv. Матер.Процессы RF THz Appl. 1–3 (IEEE, 2015).

Google ученый

74

Тао, Л. и др. . Силиценовые полевые транзисторы, работающие при комнатной температуре. Nat. Nanotechnol. 10 , 227–231 (2015).

Артикул CAS Google ученый

75

Сплендиани, А. и др. . Возникающая фотолюминесценция в монослое MoS2. Nano Lett. 10 , 1271–1275 (2010).

Артикул CAS Google ученый

76

Джаривала Б. и др. . Синтез и исследование монокристаллов слоистых халькогенидов ReS2 и ReSe2. Chem. Матер. 28 , 3352–3359 (2016).

Артикул CAS Google ученый

77

Фриндт Р. Ф. Сверхпроводимость в ультратонких слоях NbSe2. Phys. Rev. Lett. 28 , 299–301 (1971).

Артикул Google ученый

78

Ye, J. T. et al. . Сверхпроводящий купол в полосовом изоляторе с затворной настройкой. Наука 338 , 1193–1196 (2012).

Артикул CAS Google ученый

79

Сипос Б. и др. . От состояния Мотта к сверхпроводимости в 1T-TaS2. Nat. Матер. 7 , 960–965 (2008).

Артикул CAS Google ученый

80

Айари, А., Кобас, Э., Огундадегбе, О. и Фюрер, М. С. Реализация и электрические характеристики ультратонких кристаллов слоистых дихалькогенидов переходных металлов. J. Appl. Phys. 101 , 014507 (2007).

Артикул CAS Google ученый

81

Лю Л., Лу, Й. и Го, Дж. Об однослойных полевых транзисторах MoS2 на пределе масштабирования. IEEE Trans. Электронные устройства 60 , 4133–4139 (2013).

Артикул CAS Google ученый

82

Alam, K. & Lake, R. Однослойные транзисторы MoS2 вне технологической дорожной карты. IEEE Trans. Электронные устройства 59 , 3250–3254 (2012).

Артикул CAS Google ученый

83

Ким, С. и др. . Высокомобильные и маломощные тонкопленочные транзисторы на основе многослойных кристаллов MoS2. Nat. Commun. 3 , 1011 (2012).

Артикул CAS Google ученый

84

Еняшин А.Н., Зейферт Г. Электронные свойства монослоя MoS2 и родственных структур. Наносист. Phys. Chem. Математика. 5 , 517–539 (2014).

Google ученый

85

Макдоннелл, С. и др. . Легирование с преобладанием дефектов и контактное сопротивление в MoS2. ACS Nano 8 , 2880–2888 (2014).

Артикул CAS Google ученый

86

Voiry, D. et al. . Роль электронной связи между подложкой и нанолистами 2D MoS2 в электрокаталитическом производстве водорода. Nat. Матер. http://dx.doi.org/10.1038/nmat4660 (2016).

87

Hwang, W.С. и др. . Транзисторы с химически синтезированным слоистым полупроводником WS2, демонстрирующие модуляцию при комнатной температуре 10 ⁵ и амбиполярное поведение. Заявл. Phys. Lett. 101 , 013107 (2012).

Артикул CAS Google ученый

88

Джена, Д., Банерджи, К. и Син, Дж. Х. 2D кристаллические полупроводники: плотные контакты. Nat. Матер. 13 , 1076–1078 (2014).

Артикул CAS Google ученый

89

Аллен А., Канг Дж., Кис А. и Банерджи К. Электрические контакты в двумерных полупроводниках. Nat. Матер. 14 , 1195–1205 (2015).

Артикул CAS Google ученый

90

Юн, Дж. и др. . Очень гибкие и прозрачные многослойные транзисторы MoS2 с графеновыми электродами. Малый 9 , 3295–3300 (2013).

CAS Google ученый

91

Дас, С., Gulotty, Р., Sumant, А. В. и Рулофс, А. Все двумерным, гибкий, прозрачный, и тонкий тонкопленочный транзистор. Nano Lett. 14 , 2861–2866 (2014).

Артикул CAS Google ученый

92

Эда Г. и др. .Когерентные атомные и электронные гетероструктуры однослойного MoS2. АСУ Нано 6 , 7311–7317 (2012).

Артикул CAS Google ученый

93

Чо, С. и др. . Фазовая диаграмма омического гомоперехода в MoTe2. Наука 348 , 625–628 (2015).

Артикул CAS Google ученый

94

Акинванде, Д., Петроне, Н. и Хоун, Дж. Двумерная гибкая наноэлектроника. Nat. Commun. 5 , 5678 (2014).

Артикул CAS Google ученый

95

Pu, J. и др. . Очень гибкие тонкопленочные транзисторы MoS2 с ионно-гелевым диэлектриком. Nano Lett. 12 , 4013–4017 (2012).

Артикул CAS Google ученый

96

Чанг, Х.-Y. и др. . Высокопроизводительные, легко изгибаемые транзисторы MoS2 с диэлектриками с высоким K для гибких систем с низким энергопотреблением. ACS Nano 7 , 5446–5452 (2013).

Артикул CAS Google ученый

97

Чжу, В. и др. . Гибкие амбиполярные транзисторы с черным фосфором, схемы и демодулятор AM. Nano Lett. 15 , 1883–1890 (2015).

Артикул CAS Google ученый

98

Рой Т. и др. . Полевые транзисторы построены из всех двухмерных материальных компонентов. АСУ Нано 8 , 6259–6264 (2014).

Артикул CAS Google ученый

99

Канг К. и др. . Высокоподвижные полупроводниковые пленки толщиной три атома с однородностью в масштабе пластины. Природа 520 , 656–660 (2015).

Артикул CAS Google ученый

100

Бриджмен, П.М. Две новые модификации фосфора. J. Am. Chem. Soc. 36 , 1344–1363 (1914).

Артикул CAS Google ученый

101

Халтгрен, Р., Гингрич, Н. С. и Уоррен, Б. Э. Распределение атомов в красном и черном фосфоре и кристаллическая структура черного фосфора. J. Chem. Phys. 3 , 351–355 (1935).

Артикул CAS Google ученый

102

Ключи, R.W. Электрические свойства черного фосфора. Phys. Ред. 92 , 580–584 (1953).

Артикул Google ученый

103

Такао Ю., Асахина Х. и Морита А. Электронная структура черного фосфора в подходе с сильным связыванием. J. Phys. Soc. Jpn. 50 , 3362–3369 (1981).

Артикул CAS Google ученый

104

Акахама, Ю., Эндо, С. и Нарита, С. Электрические свойства монокристаллов черного фосфора. J. Phys. Soc. Jpn 52 , 2148–2155 (1983).

Артикул CAS Google ученый

105

Янгблад, Н., Чен, К., Кестер, С. Дж. И Ли, М. Интегрированный в волноводный фотодетектор черного фосфора с высокой чувствительностью и низким темновым током. Nat. Фотоника 9 , 247–252 (2015).

Артикул CAS Google ученый

106

Кастелланос-Гомес, А. и др. . Выделение и характеристика многослойного черного фосфора. 2D Матер. 1 , 025001 (2014).

Артикул CAS Google ученый

107

Гиллгрен, Н. и др. . Затворные перестраиваемые квантовые осцилляции в стабильных в воздухе и высокомобильных многослойных фосфориновых гетероструктурах. 2D Матер. 2 , 011001 (2015).

Артикул CAS Google ученый

108

Li, L. и др. . Квантовые колебания в двумерном электронном газе в тонких пленках черного фосфора. Nat. Nanotechnol. 10 , 608–613 (2015).

Артикул CAS Google ученый

109

Айленд, Дж. О. и др. . Экологическая устойчивость черного многослойного фосфора. 2D Матер. 2 , 011002 (2015).

Артикул CAS Google ученый

110

Ким, Дж.С. и др. . К воздухоустойчивым многослойным тонким пленкам и транзисторам из фосфорена. Sci. Отчет 5 , 8989 (2015).

Артикул CAS Google ученый

111

Du, Y. et al. . Ab initio исследования атомной и электронной структуры черного фосфора. J. Appl. Phys. 107 , 093718 (2010).

Артикул CAS Google ученый

112

Авсар, А. и др. . Воздухоустойчивый транспорт в контактируемых с графеном, полностью инкапсулированных ультратонких полевых транзисторах на основе черного фосфора. АСУ Нано 9 , 4138–4145 (2015).

Артикул CAS Google ученый

113

Na, J. и др. . Малогабаритные полевые транзисторы с черным фосфором и пониженными колебаниями тока. ACS Nano 8 , 11753–11762 (2014).

Артикул CAS Google ученый

114

Вуд, Дж.Д. и др. . Эффективная пассивация транзисторов с расслоенным черным фосфором против деградации окружающей среды. Nano Lett. 14 , 6964–6970 (2014).

Артикул CAS Google ученый

115

Такеда К. и Шираиши К. Теоретическая возможность гофрирования ступеней в аналогах графита Si и Ge. Phys. Ред. B: Конденс. Matter 50 , 14916–14922 (1994).

Артикул CAS Google ученый

116

Cinquanta, E. и др. . Понимание природы силицена: двумерный кремниевый нанолист sp ² — sp ³ . J. Phys. Chem. С 117 , 16719–16724 (2013).

Артикул CAS Google ученый

117

Фогт, П. и др. . Силицен: убедительные экспериментальные доказательства существования графеноподобного двумерного кремния. Phys. Rev. Lett. 108 , 155501 (2012).

Артикул CAS Google ученый

118

Li, X. et al. . Внутренние электротранспортные свойства однослойного силицена и MoS2 из первых принципов. Phys. Ред. B: Конденс. Дело 87 , 115418 (2013).

Артикул CAS Google ученый

119

Никонов Д. Э. и Янг И. А. Сравнительный анализ исследовательских устройств за пределами КМОП для логических интегральных схем. IEEE J. Explor. Твердотельные вычисления. Схемы приборов 1 , 3–11 (2015).

Артикул Google ученый

120

Ли, М. О., Эссени, Д., Нахас, Дж. Дж., Йена, Д. и Син, Х. Г. Двумерные гетеропереходные межслойные туннельные полевые транзисторы (Thin-TFETS). IEEE J. Electron Devices Soc. 3 , 200–207 (2015).

Артикул CAS Google ученый

121

Тайс, Т.Н. и Соломон П. Н. В поисках следующего переключателя: перспективы значительного снижения рассеиваемой мощности в преемнике кремниевого полевого транзистора. Proc. IEEE 98 , 2005–2014 (2010).

Артикул Google ученый

122

Gnani, E., Maiorano, P., Reggiani, S., Gnudi, A. & Baccarani, G. Исследование сверхрешеточных гетероструктур для полевых транзисторов с нанопроволокой с крутым наклоном. Device Res. Конф. (DRC) 201–202 (IEEE, 2011).

Глава Google ученый

123

Zhang, Q., Zhao, W. & Seabaugh, A. Низкопороговые транзисторы с поворотно-туннельным переходом. IEEE Electron Device Lett. 27 , 297–300 (2006).

Артикул CAS Google ученый

124

Лу, Х. и Сибо, А. Туннельные полевые транзисторы: современное состояние. IEEE J. Electron Devices Soc. 2 , 44–49 (2014).

Артикул CAS Google ученый

125

Zhou, G. et al. Новые вертикальные полупроводниковые транзисторы InAs / GaSb со встроенным затвором с рекордно высоким значением ION 180 мкА / мкм при VDS = 0,5 В. IEEE Int. Встреча электронных устройств. 32.6.1–32.6.4 (IEEE, 2012).

126

Лин, Ю. К. и др. . Атомно-тонкие резонансные туннельные диоды, построенные на основе синтетических гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Nat. Commun. 6 , 7311 (2014).

Артикул CAS Google ученый

127

Ян Р. и др. . Диоды Эсаки в гетеропереходах Ван-дер-Ваальса с нарушенным выравниванием энергетических зон. Nano Lett. 15 , 5791–5798 (2015).

Артикул CAS Google ученый

128

Рой, Т. и др. . MoS2 / WSe2 туннельные диоды и транзисторы Ван-дер-Ваальса с двойным затвором. САУ Нано 9 , 2071–2079 (2015).

Артикул CAS Google ученый

129

Саркар Д. и др. . Субтермионный туннельный полевой транзистор с атомарно тонким каналом. Природа 526 , 91–95 (2015).

Артикул CAS Google ученый

4. История полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL

История рождения полупроводников восходит к изобретению выпрямителя (преобразователя переменного тока в постоянный) в 1874 году.Десятилетия спустя Бардин и Браттейн из Bell Laboratories в США изобрели точечный транзистор в 1947 году, а Шокли изобрел переходной транзистор в 1948 году. Это ознаменовало наступление эры транзисторов. В 1946 году Пенсильванский университет в США построил компьютер с использованием электронных ламп. Компьютер был настолько большим, что его электронные лампы занимали все здание, потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Позже был разработан инновационный транзисторный вычислитель (компьютер), и с тех пор компьютеры выросли не по дням, а по часам.В 1956 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Шокли, Бардину и Браттейну за их вклад в исследования полупроводников и разработку транзисторов.
После изобретения транзистора полупроводниковая промышленность быстро росла. В 1957 году он уже перевалил за 100 миллионов долларов. В 1959 году биполярная интегральная схема (ИС) была изобретена Килби из Texas Instruments и Нойсом из Fairchild Semiconductor в США. Это изобретение оказало большое влияние на историю полупроводников и ознаменовало начало эры IC.Будучи небольшими по размеру и легким, ИС широко использовалась в различных электроприборах.
В 1967 году компания Texas Instruments разработала настольный электронный калькулятор (калькулятор) с использованием микросхемы IC. В Японии производители электронного оборудования один за другим выпускали калькуляторы, и ожесточенные «калькуляторы» продолжались до конца 1970-х годов. Интеграция ИС продвинулась еще дальше, и была разработана крупномасштабная интегральная схема (БИС). Технологии продолжают развиваться. СБИС (от 100 тысяч до 10 миллионов электронных компонентов на микросхему) была разработана в 1980-х годах, а ULSI (более 10 миллионов электронных компонентов на микросхему) была разработана в 1990-х годах.В 2000-х годах системная БИС (многофункциональная БИС с множеством функций, интегрированных в одну микросхему) была запущена в серийное производство. По мере того, как IC прогрессирует в направлении высокой производительности и множественности функций, область ее применения широко расширяется. Полупроводники сейчас используются во всех уголках нашего общества и поддерживают повседневную жизнь.

Технология Purdue для уменьшения размера транзисторов может улучшить дизайн полупроводников

WEST LAFAYETTE, штат Индиана — Нововведение исследователей из Университета Пердью может помочь полупроводниковой промышленности разработать транзисторы меньшего размера, потребляющие меньше энергии и переключающиеся с включения на выключение при меньших приложенных напряжениях.В результате нововведение может привести к появлению более совершенных и мощных поколений центральных процессоров, которые могут выполнять больше операций с меньшими затратами энергии.

Тилльманн Кубис — доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Кэтрин Нгай Пешич и Сильвако в семейной школе электротехники и вычислительной техники Purdue’s Elmore. Он сказал, что удовлетворить требования к производительности нанотранзисторов стало труднее.

«Им нужен достаточно высокий ток включения и достаточно низкий ток отключения, с достаточно небольшой разницей, чтобы переключаться между ними», — сказал Кубис.«Эти проблемы значительно замедлили масштабирование транзисторов за последние восемь лет, что затрудняет внедрение более мощных поколений ЦП».

Кубис и Джеймс Чарльз, старший научный сотрудник Школы электротехники и вычислительной техники Элмора, создали технологию CasFET, или каскадного полевого транзистора. Он вводит новый метод переключения транзисторов, аналогичный эффектам, наблюдаемым в квантово-каскадных лазерах.

«CasFET — это более общий подход, чем технология транзисторов, которую мы разработали несколько лет назад. Он предлагает большую гибкость в выборе материалов и настроек напряжения», — сказал Кубис. «С технической точки зрения CasFET не требует межполосного туннелирования. Благодаря этому разработчики полупроводников могут разработать транзисторы с более быстрым переключением и более энергоэффективным».

Кубис и Чарльз продолжают разработку первого прототипа CasFET.

«Как только это покажет цели производительности, мы продолжим определение конкретной конструкции прототипа CasFET», — сказал Кубис.

Кубис сообщил об инновации CasFET в Управление коммерциализации технологий Purdue Research Foundation, которое подало заявку на патентную защиту в Управление по патентам и товарным знакам США. Он доступен для дальнейшей коммерциализации, связавшись с Дипаком Нарулой, помощником директора по развитию бизнеса.

О компании Purdue Research Foundation Офис коммерциализации технологий

Управление коммерциализации технологий Исследовательского фонда Purdue реализует одну из самых всеобъемлющих программ трансфера технологий среди ведущих исследовательских университетов США.S. Услуги, предоставляемые этим офисом, поддерживают инициативы по экономическому развитию Университета Purdue и приносят пользу академической деятельности университета за счет коммерциализации, лицензирования и защиты интеллектуальной собственности Purdue. Офис недавно переехал в Центр конвергенции инноваций и сотрудничества в районе Discovery Park District, рядом с кампусом Purdue. В 2020 финансовом году офис сообщил о 148 заключенных сделках с 225 подписанными технологиями, получено 408 раскрытий и 180 выпущено U.С. патенты. Офис управляется Исследовательским фондом Purdue, получившим в 2019 году премию университетов за инновации и экономическое процветание за место от Ассоциации государственных университетов и университетов, получивших земельные гранты. В 2020 году институт IPWatchdog поставил Purdue на третье место в национальном рейтинге по созданию стартапов и в топ-20 по патентам. Purdue Research Foundation — это частный некоммерческий фонд, созданный для продвижения миссии Purdue University. Свяжитесь с [email protected] для получения дополнительной информации.

Об университете Пердью

Purdue University — ведущее государственное исследовательское учреждение, разрабатывающее практические решения самых сложных современных задач.Каждый из последних четырех лет Purdue входит в число 10 самых инновационных университетов США по версии U.S. News & World Report. Purdue стремится к практическому и онлайн-обучению в реальном мире. Он предлагает трансформирующее образование для всех. Стремясь обеспечить доступность и доступность, Purdue заморозила стоимость обучения и большую часть платы на уровне 2012-2013 годов, что позволило большему количеству студентов, чем когда-либо, получить высшее образование без долгов. Посмотрите, как Purdue никогда не останавливается в упорном стремлении к следующему гигантскому прыжку на https: // purdue.edu /.

Автор: Стив Мартин, [email protected]

Источник: Тилльманн Кубис, [email protected]

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Нобелевская премия по физике 1956 года — Джон Бардин, Уолтер Х. Браттейн и Уильям Шокли

Ученые Bell Labs Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли получили Нобелевскую премию по физике 1956 года за изобретение транзистора, небольшого полупроводникового устройства, которое изменит мир.

Сегодня транзисторы есть везде, где можно найти электронные устройства, включая спутники и космические корабли. Транзистор — это рабочая лошадка электронной техники, устройство, ознаменовавшее начало цифровой эпохи. На его пути были созданы целые отрасли промышленности, основанные на полупроводниках. Действительно, телекоммуникации, какими мы их знаем, были бы невозможны, если бы не транзистор.

Изобретатели транзистора исследовали свойства полупроводников, чтобы увидеть, могут ли они найти приемлемую замену электронным лампам и электромеханическим реле, используемым в телефонных сетях того времени.Электромеханические реле сделали полностью автоматический набор номера телефона и переключение реальностью, но реле имели низкую скорость. В то время в электронной промышленности в качестве диодов и триодов широко использовались вакуумные лампы. Они тоже многое сделали в телефонии, но на них нельзя было положиться.

Под руководством Мервина Келли, директора по исследованиям Bell Labs в то время, группа физиков приступила к изучению полупроводников, чтобы увидеть, смогут ли они создать прочную альтернативу, которая могла бы в конечном итоге заменить комбинацию реле и трубки в телефонных сетях.Это окажется одной из самых замечательных технических одиссей в истории науки и техники.

Первый транзистор, когда-либо собранный. Он был назван точечным транзистором, потому что усиление происходило, когда два заостренных металлических контакта прижимались к поверхности полупроводникового материала.

Полупроводники обычно представляют собой искусственные изделия, изготовленные из таких элементов, как германий или кремний, хотя природные, такие как сульфид свинца, известны давно. В отличие от проводников, таких как металлы, которые имеют множество свободных электронов, переносящих электрический ток, кремний и германий имеют очень мало носителей заряда.Однако добавление небольших количеств определенных примесей — процесс, называемый легированием — может изменить количество носителей заряда. Например, когда в кремний добавляется крошечный кусочек фосфора, получается хороший полупроводник с электронами, отданными фосфором, действующим в качестве носителей заряда. Полупроводники, полученные таким образом, называются полупроводниками n-типа, поскольку заряд носителей отрицательный.

Более замечательный тип полупроводников образуется, когда, например, небольшое количество бора легируется на кремний.Бор обеспечивает положительно заряженный носитель, отнимая электрон у кремния. Вместо электрона остается дырка, которая может перемещаться внутри полупроводника, действуя как носитель положительного заряда. Эти полупроводники называются полупроводниками р-типа .

В лабораторной записной книжке Уолтера Браттейна записаны события 23 декабря 1947 года, когда был открыт эффект транзистора.

Полупроводник может содержать как дырки, так и электроны, размещенные в таких пропорциях, что преобладает носитель одного или противоположного типа.