Транзисторы полевые. Полевые транзисторы: принцип работы, виды и применение

Что такое полевой транзистор. Как работает полевой транзистор. Какие бывают виды полевых транзисторов. Где применяются полевые транзисторы.

Что такое полевой транзистор и как он работает

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток управляется электрическим полем. В отличие от биполярных транзисторов, в полевых транзисторах ток создается носителями заряда только одного знака (электронами или дырками).

Принцип работы полевого транзистора основан на изменении проводимости полупроводникового канала под действием поперечного электрического поля. Основные элементы полевого транзистора:

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

При подаче напряжения на затвор изменяется проводимость канала, что позволяет управлять током между истоком и стоком. Это обеспечивает усиление и переключение сигналов.

Основные виды полевых транзисторов

Существует два основных типа полевых транзисторов:

1. Транзисторы с управляющим p-n переходом

В этих транзисторах затвор отделен от канала p-n переходом, смещенным в обратном направлении. При изменении напряжения на затворе меняется ширина обедненной области p-n перехода, что позволяет управлять сечением канала.

2. МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник)

В МДП-транзисторах затвор изолирован от канала слоем диэлектрика. Различают:

• Транзисторы со встроенным каналом — канал существует при нулевом напряжении на затворе
• Транзисторы с индуцированным каналом — канал образуется только при подаче напряжения на затвор

МДП-транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением и малым током затвора.

Преимущества полевых транзисторов

Полевые транзисторы имеют ряд важных преимуществ по сравнению с биполярными:

• Очень высокое входное сопротивление (до 10¹⁴ Ом)
• Низкий уровень шумов
• Высокая плотность интеграции в микросхемах
• Отсутствие эффекта накопления заряда
• Малая потребляемая мощность в статическом режиме

Эти свойства обеспечивают широкое применение полевых транзисторов в современной электронике.

Основные параметры полевых транзисторов

Ключевыми параметрами, характеризующими свойства полевых транзисторов, являются:

• Крутизна характеристики S — отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения затвор-исток
• Входная емкость C_вх — емкость между затвором и остальными электродами
• Выходная проводимость g₂₂ — отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения сток-исток
• Напряжение отсечки U_отс — напряжение на затворе, при котором канал полностью перекрывается
• Начальный ток стока I_нач — ток стока при нулевом напряжении на затворе

Эти параметры определяют усилительные и частотные свойства полевых транзисторов в электронных схемах.

Применение полевых транзисторов

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

• Входные каскады усилителей с высоким входным сопротивлением
• Цифровые логические схемы и процессоры
• Энергонезависимая память (флеш-память)
• Аналоговые ключи и коммутаторы
• Источники тока, управляемые напряжением
• Силовая электроника (MOSFET-транзисторы)
• СВЧ-техника (полевые транзисторы на арсениде галлия)

Полевые транзисторы являются основой современной микроэлектроники и продолжают совершенствоваться, обеспечивая развитие информационных технологий.

Схемы включения полевых транзисторов

Существует три основные схемы включения полевых транзисторов в электронные цепи:

1. Схема с общим истоком (ОИ)

Это наиболее распространенная схема, аналогичная схеме с общим эмиттером для биполярных транзисторов. Она обеспечивает усиление как по напряжению, так и по току. Основные свойства:

• Высокий коэффициент усиления по напряжению
• Среднее входное и выходное сопротивление
• Инвертирует входной сигнал

2. Схема с общим стоком (ОС)

Эта схема также называется истоковым повторителем. Ее особенности:

• Коэффициент усиления по напряжению близок к единице
• Очень высокое входное и низкое выходное сопротивление
• Не инвертирует сигнал

3. Схема с общим затвором (ОЗ)

Эта схема имеет ограниченное применение из-за низкого входного сопротивления. Ее характеристики:

• Высокий коэффициент усиления по напряжению
• Низкое входное и высокое выходное сопротивление
• Не инвертирует сигнал

Выбор схемы включения зависит от требований к усилению, входному и выходному сопротивлению в конкретном применении.

Сравнение полевых и биполярных транзисторов

Полевые и биполярные транзисторы имеют свои преимущества и недостатки. Сравним их основные характеристики:

Параметр	Полевые транзисторы	Биполярные транзисторы
Управление	Напряжением	Током
Входное сопротивление	Очень высокое (109-1014 Ом)	Среднее (103-105 Ом)
Выходное сопротивление	Высокое	Низкое
Уровень шумов	Низкий	Высокий
Быстродействие	Высокое	Среднее

Полевые транзисторы лучше подходят для входных каскадов усилителей, цифровых схем и маломощных устройств. Биполярные транзисторы эффективнее в линейных усилителях мощности и высоковольтных схемах.

Перспективы развития полевых транзисторов

Полевые транзисторы продолжают активно развиваться. Основные направления совершенствования:

• Уменьшение размеров для повышения быстродействия и плотности интеграции
• Применение новых материалов (графен, углеродные нанотрубки) для улучшения характеристик
• Создание трехмерных структур для повышения функциональности
• Разработка транзисторов для терагерцового диапазона частот
• Снижение энергопотребления для мобильных и IoT устройств

Развитие технологии полевых транзисторов обеспечивает прогресс в создании более мощных процессоров, емких запоминающих устройств и эффективной силовой электроники.

Мощные N-канальные полевые c изолированным затвором транзисторы (MOSFET)

	Обозначение	Прототип	Функциональное назначение	Тип корпуса	PDF
	IFP50N06*	WFP50N06	N – канальный транзистор 60 В; 0,022 Ом – 50 А	TO-220/3
	IZ70N06**		N – канальный транзистор 60 В; 0,015 Ом – 70 А	б/к
	IZ85N06**		N – канальный транзистор 60 В; 0,012 Ом – 85 А	б/к
	IZ75N75**		N – канальный транзистор 75 В; 0,017 Ом – 75 А	б/к
	IFP75N08	WFP75N08	N – канальный транзистор 80 В; 0,015 Ом – 75 А	TO-220/3
	IZ630**		N – канальный транзистор 200 В; 0,400 Ом – 9 А	б/к
	IZ640**		N – канальный транзистор 200 В; 0,180 Ом – 18 А	б/к
	IZ634**		N – канальный транзистор 250 В; 0,450 Ом – 8 А	б/к
	IFP730	WFP730	N – канальный транзистор 400 В; 0,950 Ом – 6 А	TO-220/3
	IFP740	WFP740	N – канальный транзистор 400 В; 0,550 Ом – 10 А	TO-220/3
	IFP830	WFP830	N – канальный транзистор 500 В; 1,400 Ом – 5 А	TO-220/3
	IFP840	WFP840	N – канальный транзистор 500 В; 0,850 Ом – 8 А	TO-220/3
	IZ13N50**		N – канальный транзистор 500 В; 0,490 Ом – 13 А	б/к
	IZ20N50**		N – канальный транзистор 500 В; 0,260 Ом – 20 А	б/к
	IZ50N50**		N – канальный транзистор 500 В; 0,120 Ом – 50 А	б/к
	IFP1N60	WFP1N60	N – канальный транзистор 600 В; 12,000 Ом – 1 А	TO-220/3
	IFU1N60	WFU1N60	N – канальный транзистор 600 В; 12,000 Ом – 1 А	I-PAK
	IFD1N60	WFD1N60	N – канальный транзистор 600 В; 12,000 Ом – 1 А	D-PAK
	IFU2N60	WFU2N60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом –2 А	I-PAK
	IFD2N60	WFD2N60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом –2 А	D-PAK
	IFP2N60	STP2NC60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом – 2 А	TO-220/3
	IFF2N60	WFF2N60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом – 2 А	TO-220FP
	IFP4N60	STP4NC60	N – канальный транзистор 600 В; 2,5 Ом – 4,0 А	TO-220/3
	IFF4N60	WFF4N60	N – канальный транзистор 600 В; 2,5 Ом – 4,0 А	TO-220FP
	IFP7N60	WFP7N60	N – канальный транзистор 600 В; 1,2 Ом – 7 А	TO-220/3
	IZ10N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,8 Ом – 10 А	б/к
	IZ12N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,7 Ом – 12 А	б/к
	IZ20N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,32 Ом – 20 А	б/к
	IZ24N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,26 Ом – 24 А	б/к
	IZ28N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,24 Ом – 28 А	б/к
	IZ40N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,16 Ом – 40 А	б/к
	IZ1N65**		N – канальный транзистор 650 В; 13,0 Ом – 1 А	б/к
	IZ2N65**		N – канальный транзистор 650 В; 5,5 Ом – 2 А	б/к
	IZ4N65**		N – канальный транзистор 650 В; 2,7 Ом – 4 А	б/к
	IZ7N65**		N – канальный транзистор 650 В; 1,3 Ом – 7 А	б/к
	IZ10N65**		N – канальный транзистор 650 В; 0,85 Ом – 10 А	б/к
	IZ12N65**		N – канальный транзистор 650 В; 0,8 Ом – 12 А	б/к
	IFP1N80	WFP1N80	N – канальный транзистор 800 В; 18,0 Ом – 1 А	TO-220/3
	IFU1N80	WFU1N80	N – канальный транзистор 800 В; 18,0 Ом – 1 А	I-PAK
	IFD1N80	WFD1N80	N — канальный транзистор 800 В; 18,0 Ом — 1 А	D-PAK
	IZ3N80**		N – канальный транзистор 800 В; 5,0 Ом – 3 А	б/к
	IZ10N80**		N – канальный транзистор 800 В; 1,1 Ом – 10 А	б/к
	IZ9N90**		N – канальный транзистор 900 В; 1,4 Ом – 9 А	б/к
	IZ11N90**		N – канальный транзистор 900 В; 1,1 Ом – 11 А	б/к
	IWP5NK80Z	STP5NK80Z	N – канальный транзистор 800 В; 2,4 Ом – 4,3 А	TO-220/3
	IZ024N	IRFU024N	N – канальный транзистор 55 В; 0,075 Ом — 17 А	б/к

Полевые транзисторы | Электротехника

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Транзистор с управляющим p—n-переходом. Его схематическое изображение приведено на рис. 1.21, а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 1.22, а, б (p— и n-типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть существенно меньше 1 мкм.

Рис. 1.22 Устройство транзистора

Рис. 1.23 Графическое изображение: а – канал р-типа; б – канал n-типа

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэтому область р-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим
р-n-переходом и каналом n-типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом р-типа: и_зи > 0, то оно сместит p—n-переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение и_зи достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью p—n-перехода (напряжение отсечки).

В рабочем режиме р—n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (i_з ? 0), а ток стока практически равен току истока.

На ширину р—n-перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть u_зи = 0 и подано положительное напряжение u_ис(рис. 1.24). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор – сток, т.е. окажется, что u_зс = u_ис и р—n-переход находится под обратным напряжением.

Обратное напряжение в различных областях р—n-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине u_ис. Поэтому p—n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

При u_ис = U_зиотс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1.25). При дальнейшем увеличении напряжения u_ис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.

Рис. 1.24 Принцип действия транзистора

Рис. 1.25 Режим отсечки

Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, существуют три схемы включения: схемы с общим затвором (03), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком (рис. 1.26).

Так как в рабочем режиме i_c ? 0, то входные характеристики обычно не рассматриваются.

Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида

где f – некоторая функция.

Выходные характеристики для транзистора с р—n-переходом и каналом n-типа приведены на рис. 1.27.

Обратимся к характеристике, соответствующей условию u_зи = 0. В линейной области (u_ис < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

При u_ис > 4 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт, расширяется. При этом сопротивление промежутка исток-сток увеличивается, а ток i_c практически не изменяется. Это область насыщения. Ток стока в области насыщения u_зи = 0 и при заданном напряжении и_синазывают начальным током стока и обозначают через i_{c нач}. Для рассматриваемых характеристик i_{c нач} = 5 мА при и_си = 10 В.

Рис. 1.26 Схема с общей базой

Рис. 1.27 Выходные характеристики

Параметрами, характеризующими свойства транзистора усиливать напряжение, являются:

1) Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):

2) Внутреннее дифференциальное сопротивление Rис диф

3) Коэффициент усиления

Можно заметить, что

Транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В соответствии с их структурой такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

Рис. 1.28 Устройство МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

На рис. 1.28 показан принцип устройства транзистора со встроенным каналом.

Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p-типа. В ней созданы две области с электропроводностью n⁺-типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область – диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 – 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.

Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p—n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения. Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения. Если кристалл n-типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком
n⁺-типа расположен только кристалл p-типа и на одном из p-n⁺-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения. Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные.

По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).

Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторов
с изолированным затвором: а – со встроенным р-каналом; б – со встроенным
n-каналом; в – с индуцированным p-каналом; г – с индуцированным n-каналом

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p—канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC-цепи затвора. Поскольку входная емкость Сзи у транзисторов с р—n-переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц – единиц мегагерц.

При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC-цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n-переходом.

Полевой транзистор — это… Что такое Полевой транзистор?

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

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

История создания полевых транзисторов

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

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

Схемы включения полевых транзисторов

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

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

Классификация полевых транзисторов

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

Транзисторы с управляющим p-n переходом

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

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

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

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

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

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

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

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

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между 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 двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

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

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

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

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

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

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

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

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

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

МДП-транзисторы со встроенным каналом

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

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

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

Формулы расчёта в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

 — Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO₂ и толстый слой нитрида Si₃N₄. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO₂ электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO₂ предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

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

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

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

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

Области применения полевых транзисторов

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

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

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

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

См. также

Ссылки

Примечания

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

8мА Полевые Транзисторы с Управляющим P-N-переходом (JFET)

BSR58

1467945

ПТ с управляющим p-n-переходом (JFET), полевой транзистор с p-n переходом, 40 В, 8 мА, 80 мА, 4 В ONSEMI

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте) Разрезная лента Варианты упаковки

40В

8мА

80мА

4В

SOT-23

JFET

3 Вывода

150°C

—

—

BSR58

1467945RL

ПТ с управляющим p-n-переходом (JFET), полевой транзистор с p-n переходом, 40 В, 8 мА, 80 мА, 4 В ONSEMI

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте) Повторная намотка на катушки Варианты упаковки Для данного продукта за повторную намотку на катушки взимается плата в размере 5 €

40В

8мА

80мА

4В

SOT-23

JFET

3 Вывода

150°C

—

—

2N4858A

1862994

ПТ с управляющим p-n-переходом (JFET), полевой транзистор с p-n переходом, -40 В, 8 мА, 80 мА, -4 В SOLID STATE

Штука

-40В

8мА

80мА

-4В

TO-18

JFET

3 Вывода

—

—

—

MMBF4093

2992317

ПТ с управляющим p-n-переходом (JFET), -40 В, 8 мА, -5 В, SOT-23, JFET ONSEMI

Штука (Поставляется на разрезной ленте) Разрезная лента Варианты упаковки

-40В

8мА

—

-5В

SOT-23

JFET

3 Вывода

150°C

—

—

BSR58

2438186

ПТ с управляющим p-n-переходом (JFET), JFET, 40 В, 8 мА, 80 мА, 4 В, SOT-23, JFET ONSEMI

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на полной катушке) Полная катушка Варианты упаковки

40В

8мА

80мА

4В

SOT-23

JFET

3 Вывода

150°C

—

—

2N5486

1700656

ПТ с управляющим p-n-переходом (JFET), 25 В, 8 мА, 20 мА, 6 В, TO-92, JFET ONSEMI

Штука

25В

8мА

20мА

6В

TO-92

JFET

3 Вывода

150°C

—

—

MMBF5486

2453372RL

ПТ с управляющим p-n-переходом (JFET), полевой транзистор с p-n переходом, -25 В, 8 мА, 20 мА, -6 В ONSEMI

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте) Повторная намотка на катушки Варианты упаковки Для данного продукта за повторную намотку на катушки взимается плата в размере 5 €

-25В

8мА

20мА

-6В

SOT-23

Радиочастотный Полевой Транзистор

3 Вывода

150°C

—

—

MMBF5486

2453372

ПТ с управляющим p-n-переходом (JFET), полевой транзистор с p-n переходом, -25 В, 8 мА, 20 мА, -6 В ONSEMI

Посмотреть дополнительные поставки Avnet

Штука (Поставляется на разрезной ленте) Разрезная лента Варианты упаковки

-25В

8мА

20мА

-6В

SOT-23

Радиочастотный Полевой Транзистор

3 Вывода

150°C

—

—

Полевой транзистор: виды, устройство, особенности

Полевой транзистор – электрический полупроводниковый прибор, выходной ток которого управляется полем, следовательно, напряжением, одного знака. Формирующий сигнал подается на затвор, регулирует проводимость канала n или p-типа. В отличие от биполярных транзисторов, где сигнал переменной полярности. Вторым признаком назовем формирование тока исключительно основными носителями (одного знака).

Классификация полевых транзисторов

Начнём классификацией. Разновидности полевых транзисторов многочисленны, каждая работает сообразно алгоритму:

1. Тип проводимости канала: n или р. Фактор определяет полярность управляющего напряжения.
2. По структуре. С р-n-переходом сплавные, диффузионные, МДП (МОП), с барьером Шоттки, тонкопленочные.
3. Число электродов – 3 или 4. В последнем случае подложка рассматривается обособленным субъектом, позволяя управлять протеканием тока по каналу (помимо затвора).
4. Материал проводника. Сегодня распространены кремний, германий, арсенид галлия. Материал полупроводника маркируется условным обозначением буквами (К, Г, А) или (в изделиях военной промышленности) цифрами (1, 2, 3).
5. Класс применения не входит в маркировку, указывается справочниками, дающими сведения, что полевой транзистор часто входит в состав усилителей, радиоприемных устройств. В мировой практике встречается деление по применяемости на следующие 5 групп: усилители высокой, низкой частоты, постоянного тока, модуляторы, ключевые.

   Полупроводниковый транзистор

6. Диапазон электрических параметров определяет набор значений, в которых полевой транзистор сохраняет работоспособность. Напряжение, ток, частота.
7. По конструктивным особенностям различают унитроны, алкатроны, текнетроны, гридисторы. Каждый прибор наделен ключевыми признаками. Электроды алкатрона выполнены концентрическими кольцами, увеличивая объем пропускаемого тока.
8. Числом конструктивных элементов, вмещенных одной подложкой выделяют сдвоенные, комплементарные.

Помимо общей классификации придумана специализированная, определяющая принципы работы. Различают:

1. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом.
2. Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
3. Полевые транзисторы с изолированным затвором:

• С встроенным каналом.
• С индуцированным каналом.

В литературе дополнительно упорядочивают структуры следующим образом: применять обозначение МОП нецелесообразно, конструкции на оксидах считают частным случаем МДП (металл, диэлектрик, полупроводник). Барьер Шоттки (МеП) следует отдельно выделять, поскольку это иная структура. Напоминает свойствами p-n-переход. Добавим, что конструктивно в состав транзистора способны входить одновременно диэлектрик (нитрид кремния), оксид (четырехвалентный кремния), как это случилось с КП305. Такие технические решения используются людьми, ищущими методы получения уникальных свойств изделия, удешевления.

FET устройства

Среди зарубежных аббревиатур для полевых транзисторов зарезервировано сочетание FET, иногда обозначает тип управления – с p-n-переходом. В последнем случае наравне с этим встретим JFET. Слова-синонимы. За рубежом принято отделять оксидные (MOSFET, MOS, MOST – синонимы), нитридные (MNS, MNSFET) полевые транзисторы. Наличие барьера Шоттки маркируется SBGT. По-видимому, материал значение, отечественная литература значение факта замалчивает.

Электроды полевых транзисторов на схемах обозначаются: D (drain) – сток, S (source) – исток, G (gate) – затвор. Подложку принято именовать substrate.

Устройство полевого транзистора

Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором. Канал образован полупроводником произвольного типа проводимости. Сообразно полярность управляющего напряжения положительная или отрицательная. Поле соответствующего знака вытесняет свободные носители, пока перешеек под электродом затвора не опустеет вовсе. Достигается путем воздействия поля либо на p-n-переход, либо на однородный полупроводник. Ток становится равным нулю. Так работает полевой транзистор.

Ток протекает от истока к стоку, новичков традиционно мучает вопрос различения двух указанных электродов. Отсутствует разница, в каком направлении движутся заряды. Полевой транзистор обратим. Униполярность носителей заряда объясняет малый уровень шумов. Поэтому в технике полевые транзисторы занимают доминирующую позицию.

Конструкция транзистора

Ключевой особенностью приборов назовем большое входное сопротивление, в особенности, переменному току. Очевидный факт, проистекающий из управления обратно смещённым p-n-переходом (переходом Шоттки), либо емкости технологического конденсатора в районе изолированного затвора.

Подложки часто выступает нелегированный полупроводник. Для полевых транзисторов с затвором Шоттки – арсенид галлия. В чистом виде неплохой изолятор, к которому в составе изделия предъявляются требования:

1. Отсутствие негативных явлений на стыке с каналом, истоком, стоком: светочувствительность, паразитное управление по подложке, гистерезис параметров.
2. Термостабильность в процессе технологических циклов изготовления изделия: устойчивость к отжигу, эпитаксии. Отсутствие диффузии примесей в активные слои, вызванной этим деградации.
3. Минимум примесей. Требование тесно связано с предыдущим.
4. Качественная кристаллическая решетка, минимум дефектов.

Сложно создать значительной толщины слой, отвечающий перечню условий. Поэтому добавляется пятое требование, заключающееся в возможности постепенного наращивания подложки до нужных размеров.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и МеП

В этом случае тип проводимости материала затвора отличается от используемого каналом. На практике встретите разные улучшения. Затвор составлен пятью областями, утопленными в канале. Меньшим напряжением удается управлять протеканием тока. Означая увеличение коэффициента усиления.

Биполярный транзистор

В схемах используется обратное смещение p-n-перехода, чем сильнее, тем уже канал для протекания тока. При некотором значении напряжения транзистор запирается. Прямое смещение опасно использовать по той причине, что мощная управляемая цепь может повлиять на контур затвора. Если переход открыт, потечет большой ток, либо приложится высокое напряжение. Нормальный режим обеспечивается правильным подбором полярности и других характеристик источника питания, выбором рабочей точки транзистора.

Однако в некоторых случаях намеренно используются прямые токи затвора. Примечательно, что этот режим могут использовать те МДП-транзисторы, где подложка образует с каналом p-n-переход. Движущийся заряд истока делится между затвором и стоком. Можно найти область, где получается значительный коэффициент усиления по току. Управляется режим затвором. При росте тока iз (до 100 мкА) параметры схемы резко ухудшаются.

Аналогичное включение используется схемой так называемого затворного частотного детектора. Конструкция эксплуатирует выпрямительные свойства p-n-перехода между затвором и каналом. Прямое смещение мало или вовсе нулевое. Прибор по-прежнему управляется током затвора. В цепи стока получается значительное усиление сигнала. Выпрямленное напряжение для затвора является запирающим, изменяется по входному закону. Одновременно с детектированием достигается усиление сигнала. Напряжение цепи стока содержит компоненты:

• Постоянная составляющая. Никак не используется.
• Сигнал с частотой несущей. Заводится на землю путем использования фильтрующих емкостей.
• Сигнал с частотой модулирующего сигнала. Обрабатывается для извлечения заложенной информации.

Недостатком затворного частотного детектора считают большой коэффициент нелинейных искажений. Причем результаты одинаково плохи для слабых (квадратичная зависимость рабочей характеристики) и сильных (выход в режим отсечки) сигналов. Несколько лучшие демонстрирует фазовый детектор на двухзатворном транзисторе. На один управляющий электрод подают опорный сигнал, на стоке образуется информационная составляющая, усиленная полевым транзистором.

Несмотря на большие линейные искажения эффект находит применение. Например, в избирательных усилителях мощности, дозировано пропускающих узкий спектр частот. Гармоники фильтруются, не оказывают большого влияния на итоговое качество работы схемы.

Транзисторы металл-полупроводник (МеП) с барьером Шоттки почти не отличаются от имеющих p-n-переход. По крайней мере, когда дело касается принципов работы. Но благодаря особым качествам перехода металл-полупроводник, изделия способны работать на повышенной частоте (десятки ГГц, граничные частоты в районе 100 ГГц). Одновременно МеП структура проще в реализации, когда дело касается производства и технологических процессов. Частотные характеристики определяются временем заряда затвора и подвижностью носителей (для GaAs свыше 10000 кв. см/В с).

МДП-транзисторы

В МДП-структурах затвор надежно изолирован от канала, управление происходит полностью за счет воздействия поля. Изоляция ведётся за счет оксида кремния или нитрида. Именно эти покрытия проще нанести на поверхности кристалла. Примечательно, что в этом случае также имеются переходы металл-полупроводник в районе истока и стока, как и в любом полярном транзисторе. Об этом факте забывают многие авторы, либо упоминают вскользь путем применения загадочного словосочетания омические контакты.

В теме про диод Шоттки поднимался этот вопрос. Не всегда на стыке металла и полупроводника возникает барьер. В некоторых случаях контакт омический. Это зависит по большей части от особенностей технологической обработки и геометрических размеров. Технические характеристики реальных приборов сильно зависят от различных дефектов оксидного (нитридного) слоя. Вот некоторые:

1. Несовершенство кристаллической решетки в поверхностной области обусловлено разорванными связями на границе смены материалов. Влияние оказывают как свободные атомы полупроводника, там и примесей наподобие кислорода, который имеется в любом случае. Например, при использовании методов эпитаксии. В результате появляются энергетические уровни, лежащие в глубине запрещенной зоны.
2. На границе оксида и полупроводника (толщиной 3 нм) образуется избыточный заряд, природа которого на сегодняшний день еще не объяснена. Предположительно, роль играют положительные свободные места (дырки) дефектных атомов самого полупроводника и кислорода.
3. Дрейф ионизированных атомов натрия, калия и других щелочных металлов происходит при низких напряжениях на электроде. Это увеличивает заряд, скопившийся на границе слоев. Для блокировки этого эффекта в оксиде кремния используют окись фосфора (ангидрид).

Объемный положительный заряд в оксиде влияет на значение порогового напряжения, при котором отпирается канал. Параметр обусловливает скорость переключения и определяет ток утечки (ниже порога). Вдобавок, на срабатывание влияют материал затвора, толщина оксидного слоя, концентрация примесей. Таким образом, результат опять сводится к технологии. Чтобы получить заданный режим, подбирают материалы, геометрические размеры, процесс изготовления с пониженными температурами. Отдельные приемы позволят также уменьшить количество дефектов, что благоприятно сказывается на снижении паразитного заряда.

Полевые транзисторы. Виды и устройство. Применение и особенности

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

Разновидности

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

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

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

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

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

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

Конструктивные особенности

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

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

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

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

К нему предъявляются требования:

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

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

Полевые транзисторы с р-n переходом

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

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

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

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

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:

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

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

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

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

МДП-транзисторы

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

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

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

Достоинствами такого применения прибора является:

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

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

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

Похожие темы:

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10¹⁷ Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N⁺-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N⁺-типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N⁺ находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток I_си растет прямопропорционально росту напряжения U_си. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток I_си практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда U_си превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (U_зи = 0). В результате через канал пойдет ток I_си, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

• Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
• Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

• При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

  Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

• Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

  Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

Биполярные переходные и полевые транзисторы (BJT и полевые транзисторы)

Слово «транзистор» относится к полупроводниковому устройству, которое может выполнять переключение и усиление. Как вы могли вспомнить из предыдущего руководства, электронное устройство, которое может функционировать как переключатель или усилитель, называется активным компонентом . Электрическое переключение и усиление началось не с изобретения транзистора в 1948 году; однако это изобретение стало началом новой эры, поскольку транзисторы были небольшими, эффективными и механически устойчивыми по сравнению с активными компонентами, называемыми электронными лампами, которые использовались до распространения транзисторов.

В этом видеоуроке будут кратко рассмотрены основные характеристики и функциональные возможности двух наиболее распространенных типов транзисторов. Позже в этом курсе мы узнаем больше о том, как работают транзисторы и как они используются разработчиками схем.

Биполярный переходной транзистор

В предыдущем уроке мы узнали об особых характеристиках pn-перехода. Если мы добавим еще одну секцию полупроводникового материала к pn переходу, мы получим транзистор с биполярным переходом (BJT).Как показано на следующей диаграмме, мы можем добавить секцию полупроводника n-типа, чтобы создать транзистор npn, или мы можем добавить секцию полупроводника p-типа, чтобы сформировать транзистор pnp.

Трехслойная комбинация полупроводников n-типа и p-типа приводит к трехконтактному устройству, которое позволяет небольшому току, протекающему через клемму base , регулировать больший ток, протекающий между клеммами эмиттер и коллектор .В npn-транзисторе управляющий ток течет от базы к эмиттеру, а регулируемый ток течет от коллектора к эмиттеру. В pnp-транзисторе управляющий ток течет от эмиттера к базе, а регулируемый ток течет от эмиттера к коллектору. Эти текущие шаблоны показаны стрелками на следующей диаграмме.

Полевой транзистор

Как следует из названия, полевой транзистор (FET) использует электрическое поле для регулирования тока.Таким образом, мы можем рассматривать BJT и FET как две фундаментальные вариации на тему усиления и переключения полупроводников: BJT позволяет небольшому току регулировать большой ток, а полевой транзистор позволяет небольшому напряжению регулировать ток большой ток.

Полевой транзистор состоит из двух легированных полупроводниковых областей, разделенных каналом , и на устройство подается напряжение таким образом, чтобы изменять токонесущие свойства канала.Схема ниже дает вам представление о том, как это работает.

Как видите, клеммы, разделенные каналом, называются истоком и стоком , а затвор является клеммой, на которую подается управляющее напряжение. Хотя эта диаграмма помогает представить общие принципы работы полевого транзистора, на самом деле на ней изображено относительно необычное устройство, называемое полевым транзистором (JFET).В настоящее время подавляющее большинство полевых транзисторов представляют собой металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).

МОП-транзистор имеет изолирующий слой, отделяющий затвор от канала. Таким образом, в отличие от BJT, MOSFET не требует установившегося входного тока; ток, протекающий по каналу, можно регулировать, просто подавая напряжение. На следующей диаграмме показана физическая структура и основные принципы работы n-канального MOSFET , также называемого NMOS-транзистором .Основными носителями в транзисторе NMOS являются электроны; Версия p-типа, которая имеет отверстия в качестве основных носителей, называется MOSFET с p-каналом или PMOS-транзистором .

Две сильно легированные области n-типа разделены каналом p-типа. Предположим, что источник и подложка заземлены. Если затвор также заземлен, ток не может течь через канал, потому что напряжение, приложенное к стоку, приводит к обратному смещению pn перехода.Однако положительное напряжение, приложенное к затвору, отталкивает дырки в канале, создавая, таким образом, обедненную область и притягивает электроны из участков истока и стока. Если напряжение достаточно высокое, в канале будет достаточно подвижных электронов, чтобы позволить току течь от стока к истоку, когда на сток подается напряжение.

Заключение

Поскольку они позволяют регулировать протекание тока небольшим током или напряжением, транзисторы BJT и MOSFET могут функционировать как электронные переключатели и усилители.Действие переключения осуществляется путем подачи входного сигнала, который переходит между двумя состояниями; одно из этих входных состояний приводит к полному протеканию тока, а другое — к нулевому протеканию тока. Усиление достигается за счет смещения транзистора, так что небольшие изменения входного сигнала создают соответствующие изменения большей амплитуды в протекании тока.

Транзисторы

могут быть изготовлены как дискретные устройства, но чаще всего они встречаются в виде крошечных компонентов в интегральных схемах, и именно эти интегральные схемы мы будем изучать в следующей главе.

Введение в полевые транзисторы (JFET) | Переходные полевые транзисторы

Транзистор — это линейный полупроводниковый прибор, который регулирует ток с помощью электрического сигнала меньшей мощности. Транзисторы можно условно разделить на два основных подразделения: биполярные и полевые. В предыдущей главе мы изучали биполярные транзисторы, которые используют небольшой ток для управления большим током. В этой главе мы познакомимся с общей концепцией полевого транзистора — устройства, использующего небольшое напряжение для управления током — а затем сосредоточимся на одном конкретном типе: переходном полевом транзисторе.В следующей главе мы рассмотрим еще один тип полевого транзистора — вариант с изолированным затвором.

Все полевые транзисторы являются униполярными, а не биполярными устройствами. То есть основной ток через них состоит либо из электронов через полупроводник N-типа, либо из дырок через полупроводник P-типа. Это становится более очевидным при просмотре физической схемы устройства:

N-канальный JFET

В соединительном полевом транзисторе или JFET управляемый ток проходит от истока к стоку или от стока к истоку, в зависимости от обстоятельств.Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Обратите внимание, что ток не должен проходить через PN-переход на своем пути между истоком и стоком: путь (называемый каналом) представляет собой непрерывный блок из полупроводникового материала. На только что показанном изображении этот канал представляет собой полупроводник N-типа. Также выпускаются полевые транзисторы с каналом P-типа:

P-канал JFET

Как правило, полевые транзисторы с N-каналом используются чаще, чем с P-каналом. Причины этого связаны с малоизвестными деталями теории полупроводников, которые я не хотел бы обсуждать в этой главе.Как и в случае с биполярными транзисторами, я считаю, что лучший способ ввести использование полевых транзисторов — это избегать теории, когда это возможно, и вместо этого сосредоточиться на рабочих характеристиках. Единственное практическое различие между полевыми транзисторами с N- и P-каналом, о которых вам нужно позаботиться сейчас, — это смещение PN-перехода, образованного между материалом затвора и каналом.

При отсутствии напряжения между затвором и истоком канал представляет собой широко открытый путь для прохождения тока. Однако, если между затвором и истоком подается напряжение такой полярности, что оно смещает в обратном направлении PN-переход, поток между соединениями истока и стока становится ограниченным или регулируемым, как это было для биполярных транзисторов с заданной величиной базового тока.Максимальное напряжение затвор-исток «отсекает» весь ток, протекающий через исток и сток, тем самым вынуждая полевой транзистор перейти в режим отсечки. Такое поведение происходит из-за того, что область обеднения PN-перехода расширяется под действием напряжения обратного смещения, в конечном итоге занимая всю ширину канала, если напряжение достаточно велико. Это действие можно сравнить с уменьшением потока жидкости через гибкий шланг путем его сжатия: при достаточной силе шланг сжимается настолько, что полностью перекрывает поток.

Обратите внимание на то, что это рабочее поведение прямо противоположно биполярному переходному транзистору. Биполярные транзисторы обычно выключены: нет тока через базу, нет тока через коллектор или эмиттер. С другой стороны, полевые транзисторы — это нормально включенные устройства: отсутствие напряжения, приложенного к затвору, обеспечивает максимальный ток через исток и сток. Также обратите внимание, что величина тока, допустимого через JFET, определяется сигналом напряжения, а не сигналом тока, как в случае с биполярными транзисторами.Фактически, при обратном смещении PN-перехода затвор-исток должен быть почти нулевой ток через соединение затвора. По этой причине мы классифицируем полевой транзистор JFET как устройство, управляемое напряжением, а биполярный транзистор как устройство, управляемое током.

Если PN-переход затвор-исток смещен в прямом направлении с небольшим напряжением, канал JFET «откроется» немного больше, чтобы пропустить большие токи. Однако PN-переход JFET не предназначен для обработки какого-либо значительного тока, поэтому не рекомендуется смещать переход в прямом направлении ни при каких обстоятельствах.

Это очень сжатый обзор работы JFET. В следующем разделе мы рассмотрим использование JFET в качестве переключающего устройства.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

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.

Полевые транзисторы с электронными интерференциями в качестве сенсорной платформы для обнаружения тонких поверхностных химических реакций

Мы представляем новый полевой транзистор с помехами электронов (EIFET) с модифицированной структурой полевого транзистора с модулированным зарядом (OCMFET) и демонстрируем его способность определять степень (или скорость) поверхностной химической реакции.Когда электроды, используемые в качестве управляющего затвора (G) и плавающего G в OCMFET, были заменены на чувствительную область и электрод с приложенным напряжением, соответственно, пороговое напряжение ( В, , , _-й, , ) EIFET, чувствительно изменяется в зависимости от развитие поверхностной реакции на элемент управления G. Здесь элемент управления G вновь упоминается как интерференционный электрод (IE). Результаты показывают, что вариации d V _th / d t в EIFET почти точно совпадают с вариациями его поверхностной энергии ( γ _s ) после нанесения растворов тиолов на IE. , поскольку модельные реактивные материалы способны к поверхностной реакции с новым металлом.Мы утверждаем, что поверхностная реакция IE с молекулами TP вызывает изменения в V _th s, и предполагаем, что это явление происходит из-за того, что некоторые из электронов, высвобождаемых в процессе реакции, накапливаются внутри IE и мешают первичному V _G , тем самым частично отменяя примененный V _G . Хотя этому исследованию не хватает анализа и интерпретации, оно демонстрирует потенциал нашего недавно разработанного устройства EIFET для количественной оценки химических реакций на поверхности.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Сегнетоэлектрические полевые транзисторы: Развитие и перспективы: APL Материалы: Том 9, № 2

Layer	Insulator 62,64 62.К. Рен, Г. Чжун, К. Сяо, К. Тан, М. Фэн, X. Чжун, Ф. Ан, Дж. Ван, М. Цзы, М. Тан, Ю. Тан, Т. Цзя и Дж. Ли, «Высокопрочные гибкие сегнетоэлектрические полевые транзисторы, работающие при высоких температурах с низким энергопотреблением», Adv. Функц. Матер. 30 , 11 (2020). https://doi.org/10.1002/adfm.201164. К. Ко, Й. Ли, Ю. Чен, Дж. Сух, Д. Фу, А. Суслу, С. Ли, Дж. Д. Кларксон, Х. С. Чоу, С. Тонгай, Р. Рамеш и Дж. Ву, «С сегнетоэлектрическими затворами. атомарно тонкие дихалькогениды переходных металлов как энергонезависимая память », Adv.Матер. 28 , 2923 (2016). https://doi.org/10.1002/adma.201504779	Изолятор 40 40. Ю. Р. Ли, Т. К. Трунг, Б.-У. Хван, Н.-Э. Ли, «Гибкий искусственный внутренне-синаптический тактильный сенсорный орган», Nat. Commun. 11 , 2753 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16606-w	Изолятор 41,127 41. L. Chen, L. Wang, Y. Peng, X. Feng, S. Sarkar, S. Li, B Ли, Л. Лю, К. Хан, X. Гонг, Дж. Чен, Ю. Лю, Г. Хан, К. В. Анг, «Ван-дер-ваальсовый синаптический транзистор на основе сегнетоэлектрика Hf 0.5 Zr 0,5 O 2 и 2D дисульфид вольфрама, Adv. Электрон. Матер. 6 , 2000057 (2020). https://doi.org/10.1002/aelm.202000057127. В. Сяо, К. Лю, Ю. Пэн, С. Чжэн, К. Фэн, К. Чжан, Дж. Чжан, Ю. Хао, М. Ляо и Ю. Чжоу, «Окно памяти и улучшение выносливости Hf . 0,5 Zr 0,5 O 2 FeFET на основе с затравочными слоями ZrO 2 , характеризуемыми быстрыми импульсными измерениями напряжения ”, Nanoscale Res. Lett. 14 , 254 (2019).https://doi.org/10.1186/s11671-019-3063-2	Semiconductor 30,140 30. M. Si, AK Saha, S. Gao, G. Qiu, J. Qin, Y. Duan, J. Jian, C. Niu, H. Wang, W. Wu, SK Gupta и PD Ye, «Полевой транзистор из сегнетоэлектрического полупроводника», Nat. Электрон. 2 , 580 (2019). https://doi.org/10.1038/s41928-019-0338-7140. К. К. Квон, Ю. Чжан, Л. Ван, В. Ю, X. Ван, И.-Х. Park, HS Choi, T. Ma, Z. Zhu, B. Tian, ​​C. Su, KP Loh и KP Loh, «Плоский сегнетоэлектрический моносульфид олова и его применение в сегнетоэлектрическом аналоговом синаптическом устройстве», ACS Nano 14 , 7628 (2020).https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03869
Толщина (нм)	10–340 149 149. Т.П. Маанд Н. Гонг, «Удержание и долговечность ячеек памяти FeFET», в 2019 IEEE 11-й Международный семинар по памяти IMW (IEEE, 2019), Vol. 2019, стр.1.	200∼ 69 69. X. Chen, X. Han, and Q.-D. Шен, «Сегнетоэлектрические полимеры на основе ПВДФ в современной гибкой электронике», Adv. Электрон. Матер. 3 , 1600460 (2017). https://doi.org/10.1002 / aelm.201600460	∼10 149 149. Т. П. Маанд Н. Гонг, «Сохранение и выносливость ячеек памяти FeFET», в 2019 IEEE 11th International Memory Workshop IMW (IEEE, 2019), Vol. 2019, стр.1.	Двумерный
Метод осаждения	Растворный процесс 52–58 52. Б. В. Ли, «Синтез и характеристика композиционно модифицированного PZT путем влажного химического приготовления из водного раствора», J. Eur. Ceram. Soc. 24 , 925 (2004).https://doi.org/10.1016/s0955-2219(03)00428-x53. Х. Хирасима, Э. Ониши и М. Накагава, «Приготовление порошков PZT из алкоксидов металлов», J. Non. Cryst. Твердые тела 121 , 404 (1990). https://doi.org/10.1016/0022-3093(90)-j54. S. Linardos, Q. Zhang и J. R. Alcock, «Исследование параметров, влияющих на размер агломерата керамического порошка PZT, полученного золь-гель методом», J. Eur. Ceram. Soc. 27 , 231 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.04.17955. Ľ. Medvecký, M. Kmecová и K. Saksl, «Исследование образования твердого раствора PbZr 0,53 Ti 0,47 O 3 при взаимодействии фаз перовскита», J. Eur. Ceram. Soc. 27 , 2031 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.05.10056. Б. Саху, В. А. Джалил и П. К. Панда, «Разработка порошков PZT мокрым химическим методом и изготовление многослойных пакетов / приводов», Mater. Sci. Англ. В 126 , 80 (2006). https://doi.org/10.1016 / j.mseb.2005.09.04557. Л. Б. Конганд Дж. Ма, «Керамика PZT, образованная непосредственно из оксидов путем реактивного спекания», Mater. Lett. 51 , 95 (2001). https://doi.org/10.1016/s0167-577x(01)00272-558. К. Бесляга, Р. Раду, Л.-М. Балеску, В. Станку, А. Костас, В. Думитру, Г. Стан и Л. Пинтили, «Сегнетоэлектрические полевые транзисторы на основе PZT и IGZO», IEEE J. Electron Devices Soc. 7 , 268 (2019). https://doi.org/10.1109/jeds.2019.2895367 (золь-гель процесс и мокрый химический метод)	Раствор 83–87 83.Х. Ли, Р. Ван, С. Т. Хан и Ю. Чжоу, «Сегнетоэлектрические полимеры для устройств энергонезависимой памяти: обзор», Polym. Int. 69 , 533 (2020). https://doi.org/10.1002/pi.598084. С. Чунг, К. Чо и Т. Ли, «Последние достижения в области тонкопленочных транзисторов для струйной печати», Adv. Sci. 6 , 1970031 (2019). https://doi.org/10.1002/advs.20197003185. М.-К. Гарсиа-Гутьеррес, А. Линарес, И. Мартин-Фабиани, Дж. Дж. Эрнандес, М. Соччио, Д. Р. Руэда, Т. А. Эскерра и М. Рейнольдс, «Понимание особенностей кристаллизации сополимеров P (VDF-TrFE) в условиях ограничения для оптимизации сегнетоэлектричества в наноструктуры », Nanoscale 5 , 6006 (2013).https://doi.org/10.1039/c3nr00516j86. Z. Zhou, J. Li, W. Xia, X. Zhu, T. Sun, C. Cao, and L. Zhang, «Улучшенные пьезоэлектрические и акустические характеристики пленок поливинилиденфторид-трифторэтилен для гидроакустических применений», Phys. . Chem. Chem. Phys. 22 , 5711 (2020). https://doi.org/10.1039/c9cp06553a87. Б. Амедури, «От винилиденфторида (VDF) до применения VDF-содержащих полимеров и сополимеров: последние разработки и будущие тенденции», Chem. Ред. , 109, , 6632 (2009).https://doi.org/10.1021/cr800187m (распыление, струйная печать и рулонная печать)	ALD 29,41,127 29. SJ Kim, J. Mohan, SR Summerfelt и J. Kim, «Ferroelectric Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 тонкие пленки: обзор последних достижений », JOM 71 , 246 (2019). https://doi.org/10.1007/s11837-018-3140-541. Л. Чен, Л. Ван, Ю. Пэн, Х. Фэн, С. Саркар, С. Ли, Б. Ли, Л. Лю, К. Хан, X. Гонг, Дж. Чен, Ю. Лю, Г. Хан и К.В. Анг, «Синаптический транзистор Ван-дер-Ваальса на основе сегнетоэлектрика Hf 0.5 Zr 0,5 O 2 и 2D дисульфид вольфрама, Adv. Электрон. Матер. 6 , 2000057 (2020). https://doi.org/10.1002/aelm.202000057127. В. Сяо, К. Лю, Ю. Пэн, С. Чжэн, К. Фэн, К. Чжан, Дж. Чжан, Ю. Хао, М. Ляо и Ю. Чжоу, «Окно памяти и улучшение выносливости Hf . 0,5 Zr 0,5 O 2 FeFET на основе с затравочными слоями ZrO 2 , характеризуемыми быстрыми импульсными измерениями напряжения ”, Nanoscale Res. Lett. 14 , 254 (2019).https://doi.org/10.1186/s11671-019-3063-2	Передача 30,140 30. М. Си, АК Саха, С. Гао, Г. Цю, Дж. Цинь, Ю. Дуань, Дж. Jian, C. Niu, H. Wang, W. Wu, SK Gupta и PD Ye, «Полевой транзистор из сегнетоэлектрического полупроводника», Nat. Электрон. 2 , 580 (2019). https://doi.org/10.1038/s41928-019-0338-7140. К. К. Квон, Ю. Чжан, Л. Ван, В. Ю, X. Ван, И.-Х. Park, HS Choi, T. Ma, Z. Zhu, B. Tian, ​​C. Su, KP Loh и KP Loh, «Плоский сегнетоэлектрический моносульфид олова и его применение в сегнетоэлектрическом аналоговом синаптическом устройстве», ACS Nano 14 , 7628 (2020).https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03869
Коэрцитивное поле E c (МВ / см)	0,1 150 150. Т. Миколаджик, У. Шредер и С. Слезазек, «Сегнетоэлектрические устройства на основе оксида гафния для запоминающих устройств и не только», на Международном симпозиуме 2018 по технологии, системам и приложениям СБИС (IEEE, 2018), Vol. 1.	0,5 150 150. Т. Миколаджик, У. Шредер и С. Слезазек, «Сегнетоэлектрические устройства на основе оксида гафния для запоминающих устройств и не только», на Международном симпозиуме 2018 по технологии, системам и приложениям СБИС (IEEE , 2018), Т.1.	0,8–2 150 150. Т. Миколаджик, У. Шредер и С. Слезазек, «Сегнетоэлектрические устройства на основе оксида гафния для запоминающих устройств и не только», на Международном симпозиуме по технологии, системам и приложениям СБИС 2018 г. (IEEE, 2018), т. 1.	200 кВ / см (α-In 2 Se 3 ) 151 151. Й. Ли, М. Гонг и Х. Цзэн, «Атомно тонкий α-In 2 Se 3 : возникающий двумерный сегнетоэлектрический полупроводник при комнатной температуре », J.Полуконд. 40 , 061002 (2019). https://doi.org/10.1088/1674-4926/40/6/061002
				20 кВ / см (SnS) 140 140. KC Kwon, Y. Zhang, L. Wang, W. Yu, X. Wang, I.-H. Park, HS Choi, T. Ma, Z. Zhu, B. Tian, ​​C. Su, KP Loh и KP Loh, «Плоский сегнетоэлектрический моносульфид олова и его применение в сегнетоэлектрическом аналоговом синаптическом устройстве», ACS Nano 14 , 7628 (2020). https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03869
Поляризация 2 P r (мкКл / см 2 )	30–60 150 150.Т. Миколаджик, У. Шредер и С. Слезазек, «Сегнетоэлектрические устройства на основе оксида гафния для запоминающих устройств и не только», на Международном симпозиуме 2018 по технологии, системам и приложениям СБИС (IEEE, 2018), Vol. 1.	∼10 150 150. Т. Миколаджик, У. Шредер и С. Слезазек, «Сегнетоэлектрические устройства на основе оксида гафния для запоминающих устройств и не только», на Международном симпозиуме по технологии, системам и приложениям СБИС 2018 г. IEEE, 2018), т. 1.	30–60 150 150.Т. Миколаджик, У. Шредер и С. Слезазек, «Сегнетоэлектрические устройства на основе оксида гафния для запоминающих устройств и не только», на Международном симпозиуме 2018 по технологии, системам и приложениям СБИС (IEEE, 2018), Vol. 1.	0,92 (α-In 2 Se 3 ) 152 152. Дж. Р. Родригес, В. Мюррей, К. Фудзисава, Ш. Ли, А. Л. Котрик, Ю. Чен, Н. Макки, С. Ли , М. Терронес, С. Трольер-Маккинстри, Т. Н. Джексон, З. Мао, З. Лю и Ю. Лю, «Металлическое поведение, индуцированное электрическим полем в тонких кристаллах сегнетоэлектрического α-In 2 Se 3 », Прил.Phys. Lett. 117 , 052901 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0014945
				∼17,5 (SnS) 140 140. К. К. Квон, Ю. Чжан, Л. Ван, В. Ю, X. Ван, И.-Х. Park, HS Choi, T. Ma, Z. Zhu, B. Tian, ​​C. Su, KP Loh и KP Loh, «Плоский сегнетоэлектрический моносульфид олова и его применение в сегнетоэлектрическом аналоговом синаптическом устройстве», ACS Nano 14 , 7628 (2020). https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03869
Диэлектрическая проницаемость (ε F )	∼200 149 149.Т. П. Маанд Н. Гонг, «Сохранение и выносливость ячеек памяти FeFET», в , 2019 IEEE 11th International Memory Workshop IMW (IEEE, 2019), Vol. 2019, стр.1.	∼12 153 153. С. К. Чианганд Р. Попиеларц, «Полимерные композиты с высокой диэлектрической проницаемостью», Сегнетоэлектрики 275 , 1 (2002). https://doi.org/10.1080/001501285	∼30 149 149. TP Маанд Н. Гонг, «Сохранение и выносливость ячеек памяти FeFET», в , 2019 IEEE 11th International Memory Workshop IMW (IEEE, 2019 ), Т.2019, стр.1.	∼100 (простой оксид) 31 31. М. Осада и Т. Сасаки, «Возникновение 2D-диэлектриков / сегнетоэлектриков», APL Mater. 7 , 120902 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5129447
				200∼ (перовскит) 31 31. М. Осада и Т. Сасаки, «Возникновение 2D-диэлектриков / сегнетоэлектриков», APL Mater. 7 , 120902 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5129447
Диапазон напряжения затвора (В)	± 20 62 62.К. Рен, Г. Чжун, К. Сяо, К. Тан, М. Фэн, X. Чжун, Ф. Ан, Дж. Ван, М. Цзы, М. Тан, Ю. Тан, Т. Цзя и Дж. Ли, «Высокопрочные гибкие сегнетоэлектрические полевые транзисторы, работающие при высоких температурах с низким энергопотреблением», Adv. Функц. Матер. 30 , 11 (2020). https://doi.org/10.1002/adfm.2011	± 60 62,69 62. К. Рен, Г. Чжун, К. Сяо, К. Тан, М. Фэн, X. Чжун, Ф. An, J. Wang, M. Zi, M. Tang, Y. Tang, T. Jia и J. Li, «Высоконадежные гибкие сегнетоэлектрические полевые транзисторы, работающие при высоких температурах с низким энергопотреблением», Adv.Функц. Матер. 30 , 11 (2020). https://doi.org/10.1002/adfm.201169. X. Chen, X. Han, и Q.-D. Шен, «Сегнетоэлектрические полимеры на основе ПВДФ в современной гибкой электронике», Adv. Электрон. Матер. 3 , 1600460 (2017). https://doi.org/10.1002/aelm.201600460	± 3 29,41,127 29. SJ Kim, J. Mohan, SR Summerfelt и J. Kim, «Ferroelectric Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 тонкие пленки: обзор последних достижений », JOM 71 , 246 (2019).https://doi.org/10.1007/s11837-018-3140-541. Л. Чен, Л. Ван, Ю. Пэн, Х. Фэн, С. Саркар, С. Ли, Б. Ли, Л. Лю, К. Хан, X. Гонг, Дж. Чен, Ю. Лю, Г. Хан и К.В. Анг, «Синаптический транзистор Ван-дер-Ваальса на основе сегнетоэлектрика Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 и 2D дисульфида вольфрама», Adv. Электрон. Матер. 6 , 2000057 (2020). https://doi.org/10.1002/aelm.202000057127. В. Сяо, К. Лю, Ю. Пэн, С. Чжэн, К. Фэн, К. Чжан, Дж. Чжан, Ю. Хао, М. Ляо и Ю.Чжоу, «Окно памяти и повышение выносливости Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 FeFET на основе с затравочными слоями ZrO 2 , характеризующимися быстрыми измерениями импульсов напряжения», Nanoscale Res. Lett. 14 , 254 (2019). https://doi.org/10.1186/s11671-019-3063-2	В зависимости от изолятора
Advantage	Простой синтез 52–58 52. Б. В. Ли, «Синтез и характеристика композиционно модифицированного ЦТС мокрым химическим приготовлением из водного раствора », J.Евро. Ceram. Soc. 24 , 925 (2004). https://doi.org/10.1016/s0955-2219(03)00428-x53. Х. Хирасима, Э. Ониши и М. Накагава, «Приготовление порошков PZT из алкоксидов металлов», J. Non. Cryst. Твердые тела 121 , 404 (1990). https://doi.org/10.1016/0022-3093(90)-j54. S. Linardos, Q. Zhang и J. R. Alcock, «Исследование параметров, влияющих на размер агломерата керамического порошка PZT, полученного золь-гель методом», J. Eur. Ceram. Soc. 27 , 231 (2007).https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.04.17955. Ľ. Medvecký, M. Kmecová и K. Saksl, «Исследование образования твердого раствора PbZr 0,53 Ti 0,47 O 3 при взаимодействии фаз перовскита», J. Eur. Ceram. Soc. 27 , 2031 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.05.10056. Б. Саху, В. А. Джалил и П. К. Панда, «Разработка порошков PZT мокрым химическим методом и изготовление многослойных пакетов / приводов», Mater. Sci. Англ. В 126 , 80 (2006).https://doi.org/10.1016/j.mseb.2005.09.04557. Л. Б. Конганд Дж. Ма, «Керамика PZT, образованная непосредственно из оксидов путем реактивного спекания», Mater. Lett. 51 , 95 (2001). https://doi.org/10.1016/s0167-577x(01)00272-558. К. Бесляга, Р. Раду, Л.-М. Балеску, В. Станку, А. Костас, В. Думитру, Г. Стан и Л. Пинтили, «Сегнетоэлектрические полевые транзисторы на основе PZT и IGZO», IEEE J. Electron Devices Soc. 7 , 268 (2019). https://doi.org/10.1109/jeds.2019.2895367 и высокая поляризация 154 154.Х. Чжай, Ю. Цзян, Х. Ли, П. Чжан, Ю. Хэ, Д. Ши, Х. Чжан и Дж. Ян, «Измерения поляризации и диэлектрических свойств на месте свинца (Zr 0,52 Ti 0,48 ) O 3 сегнетоэлектрические нанокристаллы », Heliyon 3 , e00313 (2017). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2017.e00313	Простой синтез 83–87 83. Х. Ли, Р. Ван, С. Т. Хан и Ю. Чжоу, «Сегнетоэлектрические полимеры для не- энергозависимые устройства памяти: обзор », Полим. Int. 69 , 533 (2020).https://doi.org/10.1002/pi.598084. С. Чунг, К. Чо и Т. Ли, «Последние достижения в области тонкопленочных транзисторов для струйной печати», Adv. Sci. 6 , 1970031 (2019). https://doi.org/10.1002/advs.20197003185. М.-К. Гарсиа-Гутьеррес, А. Линарес, И. Мартин-Фабиани, Дж. Дж. Эрнандес, М. Соччио, Д. Р. Руэда, Т. А. Эскерра и М. Рейнольдс, «Понимание особенностей кристаллизации сополимеров P (VDF-TrFE) в условиях ограничения для оптимизации сегнетоэлектричества в наноструктуры », Nanoscale 5 , 6006 (2013).https://doi.org/10.1039/c3nr00516j86. Z. Zhou, J. Li, W. Xia, X. Zhu, T. Sun, C. Cao, and L. Zhang, «Улучшенные пьезоэлектрические и акустические характеристики пленок поливинилиденфторид-трифторэтилен для гидроакустических применений», Phys. . Chem. Chem. Phys. 22 , 5711 (2020). https://doi.org/10.1039/c9cp06553a87. Б. Амедури, «От винилиденфторида (VDF) до применения VDF-содержащих полимеров и сополимеров: последние разработки и будущие тенденции», Chem. Ред. , 109, , 6632 (2009).https://doi.org/10.1021/cr800187m и гибкость 87 87. Б. Амедури, «От винилиденфторида (VDF) до приложений VDF-содержащих полимеров и сополимеров: последние разработки и будущие тенденции», Chem. Ред. , 109, , 6632 (2009). https://doi.org/10.1021/cr800187m	Высокая промышленная применимость, 122 122. Черникова А., Козодаев М., Маркеев А., Негров Д., Спиридонов М., Зарубин С., Бак О. П. Бурагохайн, Х. Лу, Э. Суворова, А. Груверман, А. Зенкевич, «Ультратонкий Hf 0.5 Zr 0,5 O 2 сегнетоэлектрические пленки на Si, ACS Appl. Матер. Интерфейсы 8 , 7232 (2016). https://doi.org/10.1021/acsami.5b11653 высокая поляризация, 29 29. Ким С.Дж., Дж. Мохан, С.Р. Саммерфельт и Дж. Ким, «Сегнетоэлектрик Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 тонкие пленки: обзор последних достижений », JOM 71 , 246 (2019). https://doi.org/10.1007/s11837-018-3140-5 и тонкая толщина 29 29. С. Дж. Ким, Дж. Мохан, С.Р. Саммерфельт и Дж. Ким, «Сегнетоэлектрик Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 тонкие пленки: обзор последних достижений», JOM 71 , 246 (2019). https://doi.org/10.1007/s11837-018-3140-5	High retention 30 30. M. Si, AK Saha, S. Gao, G. Qiu, J. Qin, Y. Duan, J Цзянь, Ч. Ниу, Х. Ван, В. Ву, С. К. Гупта и П. Д. Е, «Полевой транзистор из сегнетоэлектрического полупроводника», Nat. Электрон. 2 , 580 (2019). https://doi.org/10.1038/s41928-019-0338-7 и улавливание низкого заряда 30 30.М. Си, А. К. Саха, С. Гао, Г. Цю, Дж. Цинь, Ю. Дуань, Дж. Цзянь, К. Ню, Х. Ван, В. Ву, С. К. Гупта и П. Д. Е, «Сегнетоэлектрический полупроводник. полевой транзистор. Электрон. 2 , 580 (2019). https://doi.org/10.1038/s41928-019-0338-7
Недостаток	Слой насыпной чешуи, 59–61 59. Х. Ци, Х. Ся, К. Чжоу, П. Сяо , Y. Wang, Y. Deng, «Сегнетоэлектрические свойства гибкой Pb (Zr 0,52 Ti 0,48 ) O 3 тонкой пленки на слюде», J.Матер. Sci. Матер. Электрон. 31 , 3042 (2020). https://doi.org/10.1007/s10854-019-02848-y60. Д. Акаи, М. Йокава, К. Хирабаяси, К. Мацусита, К. Савада и М. Исида, «Сегнетоэлектрические свойства золь-гель-доставленного эпитаксиального свинца (Zr x , Ti 1− x ) O 3 тонких пленок на Si с использованием эпитаксиальных γ -Al 2 O 3 слоев », Прил. Phys. Lett. 86 , 202906 (2005). https://doi.org/10.1063/1.192 1.К.-Л. Цзя, В. Нагараджан, Ж.-К. Он, Л. Хубен, Т. Чжао, Р. Рамеш, К. Урбан и Р. Вазер, «Картирование сегнетоэлектричества и тетрагональности в масштабе элементарной ячейки в эпитаксиальных ультратонких сегнетоэлектрических пленках», Nat. Матер. 6 , 64 (2007). https://doi.org/10.1038/nmat1808 environmental issues, 48,50 48. Й. Лианд К. Мун, «Электроника без свинца», Science 308 , 1419 (2005). https://doi.org/10.1126/science.111016850. Н. Изюмская, Ю.-И. Аливов, С.-Ж. Чо, Х. Моркоч, Х. Ли и Ю.-S. Канг, “Обработка, структура, свойства и применение тонких пленок PZT”, Крит. Rev. Solid State Mater. Sci. 32 , 111 (2007). https://doi.org/10.1080/10408430701707347 и низкая ширина запрещенной зоны 27,28,104–107 27. SJ Kim, J. Mohan, J. Lee, JS Lee, AT Lucero, CD Young, L. Colombo, SR Summerfelt, Т. Сан и Дж. Ким, «Влияние толщины пленки на сегнетоэлектрические и диэлектрические свойства низкотемпературных (400 ° c) пленок Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 », Прил.Phys. Lett. 112 , 172902 (2018). https://doi.org/10.1063/1.502671528. T. S. Böscke, J. Müller, D. Bräuhaus, U. Schröder, U. Böttger, “Сегнетоэлектричество в тонких пленках оксида гафния”, Прикл. Phys. Lett. 99 , 102903 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3634052104. J. Müller, P. Polakowski, S. Mueller и T. Mikolajick, «Сегнетоэлектрические материалы и устройства на основе оксида гафния: оценка текущего состояния и будущих перспектив», ECS J. Solid State Sci. Technol. 4 , №30 (2015).https://doi.org/10.1149/2.0081505jss105. Дж. А. Родригес, К. Ремак, К. Боку, К. Р. Удаякумар, С. Аггарвал, С. Саммерфелт, Ф. Сели, С. т Мартин, Л. Холл, К. Тейлор, Т. Моис, Х. Макадамс, Дж. Макферсон , Р. Бейли, Г. Фокс и М. Депнер, «Свойства надежности низковольтных сегнетоэлектрических конденсаторов PZT и массивов», Annu. Proc. Надежный. Phys. 4 , 436 (2004). https://doi.org/10.1109/tdmr.2004.837210106. М. Х. Парк, Й. Х. Ли, Х. Дж. Ким, Ю. Дж. Ким, Т. Мун, К. Д. Ким, Дж. Мюллер, А. Керш, У.Schroeder, T. Mikolajick и C. S. Hwang, «Сегнетоэлектричество и антисегнетоэлектричество легированных тонких пленок на основе HfO 2 «, Adv. Матер. 27 , 1811 (2015). https://doi.org/10.1002/adma.201404531107. Х. П. Макадамс, Р. Аклин, Т. Блейк, X.-H. Du, J. Eliason, J. Fong, WF Kraus, D. Liu, S. Madan, T. Moise, S. Natarajan, N. Qian, Y. Qiu, KA Remack, J. Rodriguez, J. Roscher, A. Сешадри и С.Р. Саммерфельт, «Встроенная FRAM объемом 64 МБ, использующая логический процесс 5LM Cu / FSG с длиной волны 130 нм», IEEE J.Твердотельные схемы 39 , 667 (2004). https://doi.org/10.1109/jssc.2004.825241	Термическая стабильность, 62 62. К. Рен, Г. Чжун, К. Сяо, К. Тан, М. Фэн, X. Чжун, Ф. Ан , J. Wang, M. Zi, M. Tang, Y. Tang, T. Jia и J. Li, «Высокопрочные гибкие сегнетоэлектрические полевые транзисторы, работающие при высоких температурах с низким энергопотреблением», Adv. Функц. Матер. 30 , 11 (2020). https://doi.org/10.1002/adfm.2011 режим высокой мощности, 62,69 62.К. Рен, Г. Чжун, К. Сяо, К. Тан, М. Фэн, X. Чжун, Ф. Ан, Дж. Ван, М. Цзы, М. Тан, Ю. Тан, Т. Цзя и Дж. Ли, «Высокопрочные гибкие сегнетоэлектрические полевые транзисторы, работающие при высоких температурах с низким энергопотреблением», Adv. Функц. Матер. 30 , 11 (2020). https://doi.org/10.1002/adfm.201169. X. Chen, X. Han, и Q.-D. Шен, «Сегнетоэлектрические полимеры на основе ПВДФ в современной гибкой электронике», Adv. Электрон. Матер. 3 , 1600460 (2017). https://doi.org/10.1002 / aelm.201600460 и низкая поляризация 150 150. Т. Миколаджик, У. Шредер и С. Слезазек, «Сегнетоэлектрические устройства на основе оксида гафния для запоминающих устройств и не только», на Международном симпозиуме 2018 по технологии, системам и применению СБИС. (IEEE, 2018), т. 1.	Большой внутренний дефект 46 46. Юрчук Э., Мюллер Дж., Мюллер С., Дж. Пол, М. Пешич, Р. Ван Бентум, У. Шредер и Т. Миколаджик, «Улавливание заряда. явления в энергонезависимой памяти типа FeFET на основе HfO 2 », IEEE Trans.Электронные устройства 63 , 3501 (2016). https://doi.org/10.1109/ted.2016.2588439	Низкая поляризация 155 155. Ч. Цуй, Ф. Сюэ, У. Дж. Ху и Л. Дж. Ли, «Двумерные материалы с пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими функциями», Npj 2D Mater. Прил. 2 , 24 (2018). https://doi.org/10.1038/s41699-018-0067-1 и низкая промышленная применимость 147 147. М. Лонг, П. Ван, Х. Фанг и В. Ху, «Прогресс, проблемы и возможности. для фотоприемников на основе 2D материалов », Adv.Функц. Матер. 29 , 1803807 (2019). https://doi.org/10.1002/adfm.201803807

Графеновые транзисторы — GFET — Графенея

Автор: Миклош Больца

Графен произвел революцию в электронике с октября 2004 года, когда Андре Гейм и Костя Новоселов впервые определили, как удалить один слой углеродной решетки из графита. Производство и исследование современных графеновых полевых транзисторов (GFET) было бы невозможно без исследований последних двух десятилетий, и они предлагают много преимуществ по сравнению с традиционными транзисторами с биполярным переходом.Все это благодаря свойствам, присущим графену, а это означает, что GFET-транзисторы могут эффективно использоваться в различных технологиях, включая биологические и химические сенсоры.

Общие сведения о полевых транзисторах

Полевой транзистор (FET) — это электрический компонент, который использует близлежащее электрическое поле и связанный с ним перепад напряжения для модуляции тока. Полевые транзисторы обычно представляют собой устройства с тремя выводами или электродами: полупроводниковый канал проходит между двумя из этих электродов — истоком и стоком, а третий, называемый затвором, действует как управляющий.Разность напряжений, приложенная к затвору, позволяет или блокирует перенос заряда через полупроводниковый канал в зависимости от его направления и силы.

Структура полевых транзисторов

Графеновые полевые транзисторы (GFET) используют типичное устройство FET и вставляют графеновый канал размером в десятки микрон между истоком и стоком. Будучи графеном, решеткой из атомов углерода толщиной всего в один атом, каналы в полевых транзисторах обладают беспрецедентной чувствительностью, которая может использоваться в самых разных приложениях, таких как фотосенсор, магнитное зондирование и биосенсор.

При использовании в датчиках окружающей среды этот канал обычно открыт для связывания и обнаружения молекул рецепторов, таких как глюкоза, цитохром с, гемоглобин, холестерин или перекись водорода, на поверхности. Когда эти молекулы связываются с графеновым каналом, это изменяет проводимость и общий отклик устройства. Хотя углерод в графене обычно не реагирует или не связывается с большинством материалов, биорецепторы, такие как аминокислоты, антитела или ферменты, могут быть добавлены посредством адсорбции или линкерной молекулы, прикрепленной к поверхности канала.Затем молекулы могут прикрепляться к этим участкам посредством ковалентной связи, электростатических сил или сил Ван-дер-Ваальса, передавая электронный перенос по всей глубине устройства.

Каковы преимущества графеновых транзисторов?

• Беспрецедентная чувствительность

Двумерная структура графена имеет ряд преимуществ по сравнению с объемными полупроводниками, такими как кремний, которые используются в стандартных полевых транзисторах. Поскольку большинство полупроводниковых транзисторных датчиков являются трехмерными, изменения электрического заряда на поверхности канала не всегда проникают глубже в устройство.Это может резко ограничить чувствительность отклика устройства. С другой стороны, поскольку графен в GFET имеет толщину всего один атом углерода, весь канал теперь находится на поверхности, что напрямую открывает канал для любых молекул, присутствующих в ближайшем окружении.

Эту чувствительность продемонстрировали ученые из Манчестерского центра мезонауки и нанотехнологий, которые доказали, что датчики микрометрового размера, изготовленные из графена, способны обнаруживать отдельные молекулы газа, прикрепляющиеся к поверхности или отделяющиеся от нее.Поскольку добавление или удаление молекулы газа вызывает изменение одного электрона в структуре графена, поэтому можно измерить небольшие ступенчатые изменения сопротивления. Дальнейшие исследования, демонстрирующие эту повышенную чувствительность, включают в себя Департамент физики и астрономии Университета Пенсильвании, который обнаружил налтрексон (антагонист опиоидных рецепторов) с концентрацией до 10 пг на мл, и Лаборатория наноматериалов и устройств Вольфсона Плимутского университета, в которой использовались GFET-транзисторы. для обнаружения антигена хорионического гонадотропина человека (ХГЧ) в концентрациях ниже 1 пг на мл.

Полупроводники, такие как кремний, неэффективны, если производятся такими же атомарно тонкими, как графен. Это связано с тем, что дефекты поверхности или оборванные связи имеют тенденцию преобладать при такой толщине, что ограничивает общую чувствительность устройства. Такие связи образуют дополнительные дефекты в полупроводниковом канале датчика и делают возможным неспецифическое связывание, что приводит к ложным срабатываниям. Это отличается от графена, который можно получить в один слой с высокой степенью точности.Кроме того, двумерный материал, такой как графен, при эффективном производстве будет иметь гораздо меньше оборванных поверхностных связей.

GFET

также обладают более высокой подвижностью носителей, чем традиционные полевые транзисторы, часто достигая уровней более 100 000 см ² V ^-1 s ^-1 для инкапсулированного hBN монокристаллического CVD-графена. Эти устройства также имеют остаточную плотность носителей заряда порядка 5 x 10 ¹¹ см ^-2 .

Как производятся GFET-транзисторы?

GFET

обычно изготавливаются на подложке Si / SiO ₂ с металлическими контактами.Сам графен наносится на пластину посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD). Первым шагом к CVD является разложение источника углерода при высоких температурах. Затем атомы углерода откладываются на подложку для осаждения, где в конечном итоге формируется типичная гексагональная решетка, известная нам как графен.

На обеих стадиях производственного процесса требуется осторожное использование катализатора, такого как медь, железо или никель, для снижения необходимых эффективных температур с более чем 2500 ° C до более приемлемой 1000 ° C.Используя этот метод, можно сформировать сплошной одинарный слой графена всего за пять минут, в зависимости от соотношения газовых потоков и размера необходимого слоя. Однако необходимо следить за тем, чтобы сам катализатор не создавал примесей внутри графена.

Слой графена переносится с подложки для осаждения и накладывается на пластину, которая обычно изготавливается из кремния. Затем металлические электроды наносятся на графен литографически, в то время как дальнейшая литография используется для придания самим графеновым каналам желаемого размера и формы.

Преимущества изготовления с использованием графена

Помимо преимуществ чувствительности, упомянутых ранее для GFET по сравнению с массивными полупроводниковыми транзисторными материалами, GFET имеет ряд явных производственных преимуществ по сравнению с другими устройствами, созданными с использованием одномерных материалов, таких как углеродные нанотрубки или нанопроволоки. Хотя эти материалы также обладают высокой проводимостью, как графен, они пока не могут быть изготовлены с такой же точностью.

Во время производства одномерных объектов, таких как нанотрубки, количество и ориентация этих объектов будут варьироваться в зависимости от случайного распределения.Эта неоднородность означает, что невозможно изготовить массив высокопроизводительных, но с одинаковым откликом устройств с использованием современных технологий. Эта случайность еще больше усиливается за счет изменения размеров толщины и ширины внутри самих одномерных объектов. С другой стороны, использование методов фотолитографического изготовления позволяет с высокой точностью осаждать и формировать двумерный слой атомов углерода.

Современные проблемы производства графеновых транзисторов

Одной из трудностей создания графеновых сенсоров высокой чувствительности является массовое производство графена без дефектов и примесей.К счастью, были предприняты шаги в направлении более качественного выращивания и переноса CVD, чтобы графен не содержал металлических загрязнений, трещин, отверстий, складок или остатков. В настоящее время ведется работа по переносу производства датчиков GFET из лаборатории в промышленность, хотя проблемы масштабируемости все еще могут оставаться проблемой в зависимости от используемой техники.

Инициативы, такие как Graphene Flagship, проводят исследования в этой области с целью разработки потребительских товаров из графена к 2025 или 2030 году.Прогресс был достигнут и в других регионах: исследователи из Департамента физики и астрономии Пенсильванского университета открыли способ массового производства ДНК-биосенсоров GFET без этикеток с помощью процесса изготовления CVD, обеспечивающего выход более 90%.

Явление экранирования Дебая-Хюккеля — еще одна проблема для полевых транзисторов на основе графена, влияющая на чувствительность полевых транзисторов в ионном растворе

Другой проблемой является присущее явление экранирования Дебая-Хюккеля, которое также может ограничивать общую чувствительность датчиков GFET.Этот предел вызван ионным раствором, используемым для экспериментов по биочувствительности, который взаимодействует с датчиками, экранируя электрический заряд молекул через двойной слой электронов. Расстояние от поверхности, на котором молекула может быть обнаружена, обратно пропорционально концентрации используемого буфера. Это означает, что чем выше концентрация раствора, тем ближе должна быть молекула к поверхности, прежде чем ее можно будет обнаружить, что может создать трудности. К счастью, исследователи также добились успехов в этой области, используя определенные связывающие рецепторы, которые ограничивают необходимое расстояние взаимодействия в пределах длины экранирования Дебая-Хюккеля и, таким образом, создают более эффективные датчики.

Полевые транзисторы — Основы — Полупроводниковые технологии от А до Я

1. Подложка

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

2. Окисление

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

3.Осаждение

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

4. Фотолитография

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

5. Офорт

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

6. Сопротивление удалению

После этого резистная маска удаляется в растворе влажного химического проявителя.

7. Окисление

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

8. Офорт

После окисления нитрид удаляется в процессе влажного химического травления.

9. Депонирование

Посредством химического осаждения из паровой фазы низкого давления осаждается поликристаллический кремний, который представляет собой электрод затвора.

10. Фотолитография

Снова нанесен рисунок на слой фоторезиста поверх поликремния.

11. Офорт

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

12. Сопротивление удалению

Резист удаляется методом влажного химического травления.

13. Окисление

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

14. Ионная имплантация

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

15. Окисление

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

16.Фотолитография и травление

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

17. Офорт

Затем контактные отверстия открываются в процессе сильно анизотропного травления.

18. Металлизация

Контактные отверстия заполнены алюминием напылением.

19. Фотолитография

На заключительном этапе литографии формируется новая маска резиста.

20. Офорт

Рисунок переносится на нижележащую металлизацию в процессе анизотропного сухого травления.

21. Сопротивление удалению

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

Фактическая конструкция транзистора намного сложнее, поскольку для точной регулировки порогового напряжения необходимы дополнительные слои планаризации для фотолитографии или вторичный сток и имплантация истока.