Полевые транзисторы схемы включения: Схемы Подключения Полевых Транзисторов — tokzamer.ru

Схемы Подключения Полевых Транзисторов — tokzamer.ru

Схемы включения биполярного транзистора Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором Рис. Если пластина имеет показатель n, то будет р.


Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом.

Схемы включения полевых транзисторов Подобно тому, как в различных электронных устройствах биполярные транзисторы работают с включением по схеме с общим эмиттером, с общим коллектором или с общей базой, полевые транзисторы во многих случаях можно использовать аналогичным образом включая их: с общим истоком, с общим стоком или с общим затвором. Транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.
Как проверить полевой транзистор с помощью тестера.

Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.

Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 — 90 секунд. На рис.

С индуцированным каналом Транзисторы со встроенным каналом На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Типы полевых транзисторов Когда ориентируются по данным деталям электрических схем, то принимают во внимание такие показатели: внутреннее и внешнее сопротивление, напряжение отсечки и крутизна стокозатворной характеристики.

Исток источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном.

Драйверы для полевых транзисторов, самые простые и распространённые

Что такое транзистор?

Одно из их главных предназначений — работа в ключевом режиме, то есть транзистор либо закрыт, либо полностью открыт, когда сопротивление перехода Сток — Исток практически равно нулю. Вот результаты моделирования такой ситуации.

Встроенный диод, оказывается включенным в обратном направлении и ток через него не протекает.

Это возможно благодаря тому, что не используется инжекция неосновных носителей заряда. Как работает полевой транзистор?

Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем имеет ограниченное применение.

Поделитесь с друзьями:. Транзистор полевой Первоначально определимся с терминологией.

МДП — транзисторы в качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO2.

В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям.
5 СХЕМ на ОДНОМ ПОЛЕВОМ (МОП, МДП, MOSFET) ТРАНЗИСТОРЕ 2N65F

Читайте дополнительно: Как правильно сделать смету на электромонтажные работы

Виды транзисторов

Каждая из ветвей отличается на 0.

Изображение схем подключения полевых триодов Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях. Схема включения MOSFET Традиционная, классическая схема включения «мосфет», работающего в режиме ключа открыт-закрыт , приведена на рис 3.

Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.

Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Среди них можно выделить: биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами; комбинации из двух триодов одинаковых или разных структур в одном корпусе; лямбда-диоды — сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением; конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом применяются для управления электромоторами. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си.

Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В. Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам.

Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Стабильность при изменении температуры. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов сужаются и сопротивление канала становится высоким. Это возможно благодаря тому, что не используется инжекция неосновных носителей заряда.

Принцип работы триода При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается. Поэтому использование такого подхода на практике сильного ограничено в усилительной технике.

Также сюда подключается и усилитель колебаний. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.
Защита от переполюсовки на основе полевого транзистора

Транзистор полевой

При добавлении бора акцептор легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью p-Si , то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током.

На рисунке приведен полевой транзистор с каналом p-типа и затвором выполненным из областей n-типа. Опишем подробнее каждую модификацию.

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Среди них можно выделить: биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами; комбинации из двух триодов одинаковых или разных структур в одном корпусе; лямбда-диоды — сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением; конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом применяются для управления электромоторами. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале.

Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом Приведено на рис.

См. также: Подключить электричество к участку

Другие популярные статьи

Транзисторы бывают в разных корпусах, с разным количеством выводов, часто в одном корпусе объединяют два транзистора. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор. Vgs — управляющее напряжение, Vg-Vs.

Этот принцип используют для усиления сигналов. На конкретной схеме это p-канальный прибор затвор — это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала p-слой , а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.

Похожие публикации

Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение. В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа — из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Схема с общим истоком Истоком называют электрод, через который в канал поступают носители основного заряда. С общим стоком в. МДП — транзисторы выполняют двух типов — со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок в зависимости от типа проводимости основного кристалла. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях. Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной.
Схемы включения полевых транзисторов

Режимы работы и схемы включения полевых транзисторов

Анализируя возможность использования полевых транзисторов для усиления электрических сигналов мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводниках. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в канале тока не от истока к стоку, а наоборот — от стока к истоку и т.п. В общем случае для полевого транзистора, так же как и для биполярного, возможны различные устойчивые состояния (режимы работы). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии находится канал, соединяющий исток и сток транзистора, а также направлением тока, протекающего в канале. В полевых транзисторах дополнительно принято классифицировать также режим воздействия затвора на канал (стимулирует или подавляет протекание тока в нем). Ниже при описании режимов работы полевых транзисторов мы применим ту же терминологию, какая используется для биполярных транзисторов. Однако следует понимать, что в полевых транзисторах физические процессы протекают иначе и зачастую нельзя однозначно утверждать, что транзистор находится в таком-то режиме без некоторых уточнений. Например, в нашей транскрипции активный режим и режим насыщения могут существовать одновременно независимо друг от друга.   Активный режим — соответствует случаям, рассмотренным при анализе усилительных свойств полевых транзисторов. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Часто такой режим называюют основным, усилительным или нормальным (на усилительные свойства полевого транзистора также оказывает влияние состояние канала, а именно находится ли он в режиме насыщения — см. ниже). При рассмотрении полевых транзисторов мы практически всегда (за исключением ключевых схем) имеем дело с активным режимом, но здесь имеется одна тонкость, о которой также часто говорят как о режиме работы транзистора (или как о режиме работы затвора). В различных видах полевых транзисторов и при различных внешних напряжениях затвор может оказывать два вида воздействий на канал: в первом случае (например, в полевых транзисторах с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом при напряжениях на электродах, соответствующих рис. 2-1.5) он препятствует протеканию тока через канал, уменьшая число носителей зарядов, проходящих через него (такой режим называют режимом обеднения канала), во втором случае (например, в МДП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в соответствии с рис. 2-1.7) затвор, наоборот, стимулирует протекание тока через канал, увеличивая число носителей зарядов в потоке (режим обогащения канала). Часто просто говорят о режиме обеднения и режиме обогащения. Заметим, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут находиться в активном режиме только в случае режима обогащения канала, а для МДП-транзисторов со встроенным каналом это может быть и режим обогащения, и режим обеднения. В полевых транзисторах с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом попытка приложить прямое смещение на этот переход вызывает его открытие и протекание существенного тока в цепи затвора. Реальные процессы в транзисторе в этом случае сильно зависят от его конструкции, практически никогда не документируются и трудно предсказуемы. Поэтому говорить о режиме обогащения для полевых транзисторов с управляющим переходом не принято да и просто бессмысленно. Инверсный режим — по процессам в канале противоположен активному режиму, т.е. поток носителей зарядов в канале протекает не от истока к стоку, а наоборот — от стока к истоку. Для инверсного режима требуется только изменение полярности напряжения на канале, полярность напряжения на затворе остается неизменной. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Обычно из-за конструктивных различий между областями стока и истока усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются хуже, чем в режиме активном. Впрочем, в некоторых видах МДП-транзисторов конструктивная ассиметрия минимальна, что приводит к симметричности выходных статических характеристик такого транзистора относительно изменения полярности напряжения сток—исток. Данный режим практически никогда не используется в усилительных схемах, но для аналоговых переключателей на полевых транзисторах он оказывается полезен. Однако здесь есть одна ловушка, в которую довольно легко попасть начинающему. Дело в том, что в большинстве МДП-транзисторов (особенно в мощных) производители соединяют подложку с истоком внутри корпуса прибора, что фактически означает, что в этих транзисторах между истоком и стоком имеется диод который не позволяет подавать на переход исток—сток инверсное напряжение, превышающее прямое падение напряжения на этом диоде, т.е. инверсный режим в таком транзисторе попросту невозможен. Вообще, в случае полевых транзисторов о режиме работы вспоминают гораздо реже, чем для биполярных. Дело здесь в том, что каждый конкретный тип полевого транзистора имеет конструкцию строго ориентированную на выполнение какой-то конкретной функции (усиление слабых сигналов, ключ и т.п.), все документируемые параметры транзистора в этом случае характеризуют его работу именно в основном режиме при выполнении предназначенной функции. Поэтому имеет смысл говорить просто о нормальном режиме работы, когда все соответствует документации, или о ненормальном, который в документации просто не предусмотрен (да и вряд ли кому-то понадобиться использовать его в схемах). Режим насыщения — характеризует состояние не всего транзистора в целом, как это было для биполярных приборов, а только токопроводящего канала между истоком и стоком. Данный режим соответствует насыщению канала основными носителями зарядов. Такое явление как насыщение является одним из важнейших физических свойств полупроводников. Оказывается, что при приложении внешнего напряжения к полупроводниковому каналу, ток в нем линейно зависит от этого напряжения лишь до определенного предела (напряжение насыщения), а по достижении этого предела стабилизируется и остается практически неизменным вплоть до пробоя структуры. В приложении к полевым транзисторам это означает, что при превышении напряжением сток—исток некоторого порогового уровня оно перестает влиять на ток в цепи. Если для биполярных транзисторов режим насыщения означал полную потерю усилительных свойств, то для полевых это не так. Здесь наоборот, насыщение канала приводит к повышению коэффициента усиления и уменьшению нелинейных искажений. До достижения напряжением сток—исток уровня насыщения ток через канал линейно увеличивается с ростом напряжения (т.е. ведет себя так же, как и в обычном резисторе). Автору неизвестно какого-либо устоявшегося названия для такого состояния полевого транзистора (когда ток через канал идет, но канал ненасыщен), будем называть его режимом ненасыщенного канала (он находит применение в аналоговых ключах на полевых транзисторах). Режим насыщения канала обычно является нормальным при включении полевого транзистора в усилительные цепи, поэтому в дальнейшем при рассмотрении работы транзисторов в схемах мы не будем делать особого акцента на этом, подразумевая, что между стоком и истоком транзистора присутствует напряжение, достаточное для насыщения канала. Режим отсечки — режим, в котором ток через канал полевого транзистора не протекает. Переход полевого транзистора в режим отсечки происходит по достижении напряжением на затворе определенного порога (напряжение отсечки). В полевых транзисторах с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом это имеет место при постепенном увеличении обратного смещения на перереходе, а в МДП-транзисторах со встроенным каналом при увеличении разности потенциалов между истоком и затвором при условии работы в режиме обеднения канала. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом режим отсечки имеет место при нулевой разности напряжений между истоком и затвором, а по достижении напряжения отсечки (или порогового напряжения) канал открывается. Поскольку выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, он используется в ключевых схемах и соответвует размыканию транзисторного ключа. Помимо режима работы для эксплуатации полевых транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Так же как и для биполярных транзисторов, здесь различают три основных способа (рис. 2-1.8): схема с общим истоком (ОИ), схема с общим стоком (ОС) и схема с общим затвором (ОЗ).   Рис. 2-1.8. Схемы включения полевых транзисторов (направления токов соответствуют активному режиму работы)   Для полевых транзисторов полностью сохраняется понятие класса усиления в том же виде, в каком оно описано в подразделе Классы усиления для биполярных транзисторов. Отличие лишь в том, что критерием нахождения транзистора в режиме усиления здесь служит наличие потока зарядов через канал от истока к стоку.     < Предыдущая   Следующая >

Схемы включения Полевых Транзисторов | Основы электроакустики

Включение ПТ с управляющим p-n переходом и каналом n типа в схемы усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком показано на рис.8.5, а, б.

Рис.8.5. Включение ПТ в схемы:

• а) с общим истоком,
• б) с общим стоком 

Постоянное напряжение Е1 обеспечивает получение определенного значения тока стока IС=E/(rСИ +RН) в зависимости от сопротивления канала rСИ. При подаче входного усиливаемого напряжения UВХ потенциал затвора меняется, а соответственно меняются и токи стока и истока, а также падение напряжения на резисторе RН. Приращение падения напряжения на резисторе RН при большом его значении гораздо больше приращений входного напряжения. За счет этого осуществляется усиление сигнала. Ввиду малой распространенности включение с общим затвором не показано. При изменении типа проводимости канала меняются только полярности приложенных напряжений и направления токов.

Включение МОП транзисторов в схемах показано на рис.8.6.

Для МОП транзистора со встроенным каналом смещение не является обязательным, так как при нулевом напряжении на затворе  транзистор  приоткрыт и через канал протекает ток стока IС НАЧ. При подаче положительного напряжения на затвор транзистор работает в режиме обогащения, сопротивления канала уменьшается, а ток стока IС увеличивается. При подаче отрицательного напряжения на затвор происходит обратный процесс. В МОП транзисторах с индуцированным каналом, включенных в схемы с общим истоком и общим стоком (рис.8.6, в, г), постоянное напряжение Е1 должно превышать пороговое. В противном случае канал не появится и транзистор будет заперт.

 Рис.8.6. Включение МОП транзисторов с каналом n-типа:

• а) со встроенным каналом в схеме с ОИ,
• б) с ОС,
• в) с индуцированным каналом с ОИ,
• г) с ОС

Характеристики и параметры полевого транзистора: схемы, вольт-амперные кривые

Кратко охарактеризуем различные схемы включения полевого транзистора и рассмотрим его характеристики и параметры.

Схемы включения транзистора.

Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком.

Для понимания особенностей работы некоторого электронного устройства очень полезно уметь относить конкретное решение к той или иной схеме включения (если схема такова, что это в принципе возможно).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Моделирующие программы при замене транзистора математической моделью никак не учитывают способ включения транзистора. Важно понять, что если даже на стадии разработки математической модели имеет место ориентация на конкретную схему включения, то на стадии использования эта модель должна правильно моделировать транзистор во всех самых различных ситуациях.

При объяснении влияния напряжения uис на ширину p-n-перехода фактически использовалась схема с общим истоком (см. рис. 1.87) (Статья 1 Устройство и основные физические процессы). Рассмотрим характеристики, соответствующие этой схеме (что общепринято).

Так как в рабочем режиме i_з = 0, i_u ~ i_с, входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП10ЗЛ, подробно рассматриваемого ниже, для тока утечки затвора iз ут при t < 85°С выполняется условие iз ут< 2 мкА.

Изобразим схему с общим истоком (рис. 1.89).

Выходные (стоковые) характеристики транзистора

Выходной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uис)|uзи =const где f — некоторая функция.

Изобразим выходные характеристики для кремниевого транзистора типа КП10ЗЛ с p-n-переходом и каналом p-типа (рис. 1.90).

Обратимся к характеристике, соответствующей условию uзи = 0. В так называемой линейной области (uис< 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.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При uис = 3 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока ic, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт (характеризующаяся очень большим удельным сопротивлением), расширяется. При этом сопротивление на постоянном токе промежутка исток-сток увеличивается, а ток ic практически не изменяется.

Ток стока в области насыщения при uзи= 0 и при заданном напряжении uис называют начальным током стока и обозначают через iс нач. Для рассматриваемых характеристик iс нач = 5 мА при uис= 10 В. Для транзистора типа КП10ЗЛ минимальное значение тока iс начравно 1,8 мА, а максимальное — 6,6 мА. При uис > 22 В возникает пробой p-n-перехода и начинается быстрый рост тока.

Теперь кратко опишем работу транзистора при различных напряжениях uзи. Чем больше заданное напряжение uзи , тем тоньше канал до подачи напряжения uис и тем ниже располагается характеристика.

Как легко заметить, в области стока напряжение на p-n-переходе равно сумме uзи+uис. Поэтому чем больше напряжение uзи , тем меньше напряжение uис, соответствующее началу пробоя.

Когда uзи= 3 В, канал оказывается перекрыт областью p-n-перехода уже до подачи напряжения uис . При этом до пробоя выполняется условие i_c = 0. Таким образом,uзи _отс = 3 В.Для рассматриваемого типа транзистора минимальное напряжение отсечки +2 В, а максимальное +5 В. Эти величины соответствуют условию i_c = 10 мкА. Это так называемый остаточный ток стока, который обозначают через ic отс. Полевой транзистор характеризуется следующими предельными параметрами (смысл которых понятен из обозначений):uис _макс,uзс_макс, P_макc.

Для транзистора КП10ЗЛ uис_макс = 10 В,uзс_макс = 15 В, P_макc = 120 мВт (все при t = 85°С).

Графический анализ схем с полевыми транзисторами.

Для лучшего уяснения принципа работы схем с полевыми транзисторами полезно провести графический анализ одной из них (рис. 1.91).

Пусть Е_с = 4 В; определим, в каких пределах будет изменяться напряжение uиспри изменении напряжения uзи от 0 до 2 В.

При графическом анализе используется тот же подход, который был использован при анализе схем с диодами и биполярными транзисторами. Для рассматриваемой схемы, в которой напряжение между затвором и истоком равно напряжению источника напряжения uзи, нет необходимости строить линию нагрузки для входной цепи. Линия нагрузки для выходной цепи задается выражением Е_с =iс·Rс+uис Построим линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора, представленных на рис. 1.92.

Из рисунка следует, что при указанном выше изменении напряжения uзинапряжение uис будет изменяться в пределах от 1 до 2,6 В, что соответствует перемещению начальной рабочей точки от точки А до точки В. При этом ток стока будет изменяться от 1,5 до 0,7 мА.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Стокозатворные характеристики (характеристики передачи, передаточные, переходные, проходные характеристики). Стокозатворной характеристикой называют зависимость вида iс=f(uзи) |uис =const где f — некоторая функция.

Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда более удобны для использования. Изобразим стокозатворные характеристики для транзистора КП10ЗЛ (рис. 1.93).

Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное напряжение uзи, например, для транзистора 2П103Д это напряжение не должно быть по одулю больше чем 0,5 В.

Свойства транзистора по усилению напряжения

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

S= |diс/duзи|uзи – заданное, uис =const Обычно задается u зи= 0. При этом для транзисторов рассматриваемого типа крутизна максимальная. Для КП10ЗЛS = 1,8…3,8 мА/В при u ис= 0 В, uзи= 0, t = 20°С.

• Внутреннее дифференциальное сопротивление R_{ис диф} (внутреннее сопротивление)

Rисдиф= (duис/ diс) |uис–заданное,uзи= const

Для КП10ЗЛ R_{ис диф} = 25 кОм при u ис= 10 В,uзи=0.

• Коэффициент усиления

M = (duис/ duзи) |uзи–заданное,iс= const

Можно заметить, что M =S· R_{ис диф}

Для КП10ЗЛ при S = 2 мA/B и R_{ис диф} = 25 кОм М = 2 (мА/В) · 25 кОм = 50.

• Инверсное включение транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный, может работать в инверсном режиме. При этом роль истока играет сток, а роль стока — исток.

Прямые (нормальные) характеристики могут отличаться от инверсных, так как области стока и истока различаются конструктивно и технологически.

• Частотные (динамические) свойства транзистора.

В полевом транзисторе в отличие от биполярного отсутствуют инжекция неосновных носителей и их перемещение по каналу, и поэтому не эти явления определяют динамические свойства. Инерционность полевого транзистора определяется в основном процессами перезаряда барьерной емкости p-n-перехода. Свое влияние оказывают также паразитные емкости между выводами и паразитные индуктивности выводов.

В справочных данных часто указывают значения следующих дифференциальных емкостей, которые перечислим ниже:

• входная емкость С_зи — это емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи;
• проходная емкость С_зс — это емкость между затвором и стоком при разомкнутой по переменному току входной цепи;
• выходная емкость С_ис — это емкость между истоком и стоком при коротком замыкании по переменному току входной цепи.

Для транзистора КП10ЗЛ С_зи < 20 пФ, С_зс << 8 пФ при uис= 10 В и uзи= 0.

Крутизну S, как и коэффициент B биполярного транзистора, в ряде случаев представляют в форме комплексного числа S. При этом, как и для коэффициента B, определяют предельную частоту f_пpед. Это та частота, на которой выполняется условие:

| Ś | = 1 / √2 ·S_пт где S_пт — значение S на постоянном токе.

Для транзистора КП103Л данные по f_пpед в использованных справочниках отсутствуют, но известно, что его относят к транзисторам низкой частоты (предназначенным для работы на частотах до 3 МГц).

Схемы включения полевых транзисторов (для стенда)

Схемы включения полевых транзисторов (для стенда)

Подобно тому, как в различных электронных устройствах биполярные транзисторы работают с включением по схеме с общим эмиттером, с общим коллектором или с общей базой, полевые транзисторы во многих случаях можно использовать аналогичным образом включая их: с общим истоком, с общим стоком или с общим затвором. 

Разница заключается в способе управления: биполярный транзистор управляется током базы, а полевой транзистор — зарядом затвора. 

С точки зрения затрат энергии на управление, управление полевым транзистором получается в целом более экономичным, чем управление транзистором биполярным. Это один из факторов, объясняющих нынешнюю популярность полевых транзисторов. Рассмотрим, однако, в общих чертах типичные схемы включения полевых транзисторов.

Включение с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с общим истоком является аналогом схемы с общим эмиттером для биполярного транзистора. Такое включение весьма распространено в силу возможности давать значительное усиление по мощности и по току, фаза напряжения цепи стока при этом переворачивается.

Входное сопротивление непосредственно перехода затвор-исток достигает сотен мегаом, хотя оно может быть уменьшено путем добавления резистора между затвором и истоком с целью гальванически подтянуть затвор к общему проводу (защита полевого транзистора от наводок).

Величина этого резистора Rз (от 1 до 3 МОм обычно) подбирается так, чтобы не сильно шунтировать сопротивление затвор-исток, при этом не допускать перенапряжения от тока обратносмещенного управляющего перехода.

Существенное входное сопротивление полевого транзистора в схеме с общим истоком является важным достоинством именно полевого транзистора, при его использовании в схемах усиления напряжения, тока и мощности, ведь сопротивление в цепи стока Rс не превышает обычно единиц кОм. 

Включение с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с общим стоком (истоковый повторитель) является аналогом схемы с общим коллектором для биполярного транзистора (эмиттерный повторитель). Такое включение используется в согласующих каскадах, где выходное напряжение должно находиться в фазе с входным.

Входное сопротивление перехода затвор-исток как и прежде достигает сотен мегаом, при этом выходное сопротивление Rи сравнительно небольшое. Данное включение отличается более высоким частотным диапазоном, чем схема с общим истоком. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, так как напряжение исток-сток и затвор-исток для данной схемы обычно близки по величине.

Включение с общим затвором

Схема с общим затвором — подобие каскаду с общей базой для биполярного транзистора. Усиления по току здесь нет, потому и усиление по мощности многократно меньше, чем в каскаде с общим истоком. Напряжение при усилении имеет ту же фазу, что и управляющее напряжение.

Поскольку выходной ток равен входному, то и коэффициент усиления по току равен единице, а коэффициент усиления по напряжению, как правило, больше единицы.

В данном включении присутствует особенность — параллельная отрицательная обратная связь по току, ибо при повышении управляющего входного напряжения, потенциал истока возрастает, соответственно ток стока уменьшается, и снижает напряжение на сопротивлении в цепи истока Rи.

Так с одной стороны напряжение на сопротивлении истока увеличивается благодаря росту входного сигнала, но уменьшается снижением тока стока, это и есть отрицательная обратная связь.

Данный феномен делает шире полосу пропускания каскада в области высоких частот, поэтому схема с общим затвором популярна в усилителях напряжения высоких частот, и особенно востребована в высоко устойчивых резонансных схемах.

ТРАНЗИСТОРЫ

   В этой статье мы разберем, чем же примечателен этот маленький кусочек кремния, называемый транзистором. Транзисторы, как известно, делятся на 2 вида полевые и биполярные. Изготавливаются они из полупроводниковых материалов, в частности германия и кремния. И полевые и биполярные транзисторы имеют по 3 вывода. На приведенном ниже рисунке мы можем видеть устройство советского биполярного низкочастотного транзистора типа МП39-МП42. 

Транзистор в разрезе

   На следующем рисунке изображены транзисторы, также выпущенные в советское время, слева небольшой мощности, в центре и справа рассчитанные на среднюю и большую мощность: 

Внешний вид советских транзисторов

   Рассмотрим схематическое изображение биполярного транзистора:

Структура биполярных транзисторов

   Транзисторы по своей структуре делятся на два типа, n-p-n и p-n-p. Как нам известно из предыдущей статьи, диод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n переходом способным пропускать ток в прямом включении и не пропускающий в обратном. Транзистор же представляет собой, условно говоря, два диода соединенных либо катодами, либо анодами, что мы и можем видеть на рисунке ниже.

Транзистор как два диода

   Кстати, многие отечественные транзисторы в советское время выпускали с некоторым содержанием золота, так что эту деталь можно назвать драгоценной в прямом смысле слова! Подробнее о содержании драгметаллов смотрите тут. Но для радиолюбителей ценность данного радиоэлемента заключается прежде всего в его функциях.

Золото в транзисторах СССР

   Приведу ещё несколько фотографий распространённых транзисторов:

Малой мощности

Средней мощности

Большой мощности

В металлическом корпусе

   На этих фото изображены выводные транзисторы, которые впаивают в отверстия в печатной плате. Но существуют транзисторы и для поверхностного или SMD монтажа, в таком случае отверстия не сверлятся и детали припаиваются со стороны печати, один из таких транзисторов в корпусе sot-23 изображен на фотографии ниже, рядом на рисунке можно видеть его сравнительные размеры:

 

Фото SMD транзистор

   Какие существуют схемы включения биполярных транзисторов? Прежде всего это схема (к слову сказать самая распространенная) включения с общим эмиттером. Такое включение обеспечивает большое усиление по напряжению и току:

Схема с общим эмиттером

   Схема включения с общим коллектором, это дает нам усиление только по току:

Схема с общим коллектором

   И схема включения с общей базой, усиление только по напряжению:

Схема с общей базой

   Далее приведен практический пример схемы усилителя на одном транзисторе собранного по схеме с общим эмиттером. Наушники для этого усилителя нужно брать высокоомные Тон–2 с сопротивлением обмотки приблизительно 2 кОм. 

Пример усилителя по схеме с общим эмиттером

   Биполярные транзисторы могут использоваться в ключевом и усилительном режимах. Выше на схеме пример работы транзистора в усилительном режиме. На приведенном ниже рисунке изображена схема включения транзистора в ключевом режиме:

Схема транзистора в ключевом режиме

   Существуют транзисторы, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, называются они фототранзисторы. Они могут быть в исполнении как с выводом от базы, так и без него. Его схематическое изображение на рисунке:

Схематическое изображение фототранзисторов

   А так выглядит один из фототранзисторов:

Фототранзистор — фотография

Полевые транзисторы

   Как ясно из названия, такие транзисторы управляются не током, а полем. Электрическим полем. В следствии чего они имеют высокое входное сопротивление и не нагружают предидущий каскад. На этом рисунке изображено строение полевого транзистора:

Строение полевого транзистора

   Привожу первый вариант схематического обозначения полевого транзистора:

Схематическое изображение полевого транзистора

   На следующем рисунке изображено современное схематическое изображение (второй вариант) полевых транзисторов с изолированным затвором, слева с каналом n–типа и справа с каналом p-типа. 

Изображение на схемах полевых транзисторов с изолированным затвором

   Определяют какого типа канал следующим образом, если стрелка направлена в сторону канала, то такой транзистор с каналом n–типа, если же стрелка направлена в обратную, то p-типа. Транзисторы MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) — это английское название полевых транзисторов МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Дальше на рисунке приведено обозначение и изображен внешний вид мощного полевого Mosfet транзистора:

Схематическое изображение мощного полевого транзистора

   Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление. Они находят все большее применение в современной технике, особенно приёмо-передатчиках. Полевые транзисторы широко применяются и в аналоговых, и в цифровых схемах. Выпускаются современные полевые транзисторы, как и биполярные, в SMD исполнении:

Фото SMD полевой транзистор

   Устройства, созданные на основе КМОП транзисторов (полевых транзисторов) очень экономичны и имеют незначительное потребление питания. Привожу схемы включения полевых транзисторов:

С общим истоком

С общим стоком

С общим затвором 

   Применяются полевые транзисторы и в усилителях мощности звука, чаще всего в выходных каскадах.

Однопереходные транзисторы

   Существуют так называемые Однопереходные транзисторы, второе, менее распространённое название — Двухбазовый диод. Ниже приведены схематическое изображение и фото однопереходных транзисторов.

Схематическое изображение однопереходных транзисторов

   Применяются однопереходные транзисторы, в устройствах автоматики и импульсной технике. А также находят применение в измерительных устройствах. Автор статьи — AKV.

   Форум по радиоэлементам

   Форум по обсуждению материала ТРАНЗИСТОРЫ

Схемы включения полевых транзисторов.

Так же, как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут иметь три схемы включения: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Схема включения определяется тем, какой из трех электродов транзистора является общим и для входной и выходной цепи. Очевидно, что рассмотренный нами пример (рис. 5.3.1) является схемой с общим истоком (рис. 5.3.1, а).

Схема с общим затвором (рис. 5.3.1, б) аналогична схеме с общей базой у биполярных транзисторов. Она не дает усиления по току, а входное сопротивление здесь маленькое, так как входным током является ток стока, вследствие этого данная схема на практике не используется.

Схема с общим стоком (рис. 5.3.1, в) подобна схеме эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе и ее называют истоковым повторителем. Для данной схемы коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Выходное напряжение по величине и фазе повторяет входное. В этой схеме очень высокое входное сопротивление и малое выходное.

Рисунок 5.3.1. Основные схемы включения полевых транзисторов: а) — с общим истоком; б) – с общим затвором; в) – с общим стоком.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Опишите принцип работы полевого транзистора с управляющим р-n-переходом.

2. Чем отличаются полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом от полевых транзисторов с изолированным затвором?

3. Чем отличаются полевые транзисторы с изолированным затвором с индуцированным каналом от транзисторов со встроенным каналом?

4. Какими характеристиками и параметрами описывают свойства полевых транзисторов?

5. В чем заключается основное отличие полевых транзисторов от биполярных?

 

Глава 6. Тиристоры.

 

Особую группу полупроводниковых приборов составляют многослойные приборы с тремя и более p-n-переходами, используемые в качестве электронных переключателей. Они объединяются общим названием – тиристоры. В зависимости от числа наружных выводов различают двухэлектродный тиристор, или динистор, и трехэлектродный – тринистор.

 

 

Динисторы.

 

Структура и условное графическое обозначение динистора приведены на рис. 6.1.1, а, б. Прибор содержит четыре полупроводниковые области с чередующимися типами электрической проводимости: р-п-р-п. Крайняя р-область называется анодом, а крайняя n-область – катодом. Так как между двумя прилегающими друг к другу областями с различными типами электропроводности образуется электронно-дырочный переход, то в динисторе таких переходов оказывается три: 1, 2 и 3.

 

 

Рисунок 6.1.1. Структура, условное графическое изображение и вольтамперная характеристика динистора.

 

Если динистор подключен к источнику напряжения так, что «минус» подается на анод, а «плюс» – на катод, то крайние р-n-переходы оказываются включенными в обратном направлении и через динистор протекает небольшой обратный ток (участок ОГ) – рис. 6.1.1, в.

При изменении полярности источника внешнего напряжения переходы 1 и 3 включаются в прямом направлении, а средний переход 2 в обратном. Сопротивление между анодом и катодом динистора в этом случае также велико (сотни килоом), и через него протекает небольшой ток I_зкр, измеряемый при напряжении U_{пр.зкр.макс}, которое называют максимально допустимым постоянным прямым напряжением на закрытом тиристоре.

При некотором значении прямого напряжения, называемого напряжением включения U_вкл, средний переход открывается, сопротивление между анодом и катодом уменьшается до десятых долей ома. Такое состояние динистора называют открытым. Падение напряжения на открытом динисторе составляет всего 1…2 В (участок БВ) и мало зависит от величины тока, протекающего через динистор. В справочных данных обычно указывается значение напряжения открытого тиристора U_откр при максимально допустимом постоянном токе I_{откр.макс}. Напряжение включения для динисторов составляет, как правило, десятки-сотни вольт. В открытом состоянии динистор находится до тех пор, пока через него протекает ток, не меньший, чем ток удержания I_уд. Для перевода динистора из открытого состояния в закрытое следует уменьшить напряжение внешнего источника примерно до 1 В или отключить его. Внешний вид динисторов представлен на рис. 6.1.2.

 

 

 

 

Рисунок 6.1.2. Внешний вид динисторов.

 

Что такое полевой транзистор? — Блог Fusion 360

Полевой транзистор (FET) — это трехконтактный активный полупроводниковый прибор, в котором выходной ток регулируется электрическим полем, создаваемым входным напряжением. Полевые транзисторы также известны как униполярные транзисторы, потому что, в отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы имеют либо электроны, либо дырки, работающие в качестве носителей заряда. Полевой транзистор использует напряжение, приложенное к его входной клемме (называемой затвором), для управления током, протекающим от истока к стоку, что делает полевой транзистор устройством, управляемым напряжением.

Полевые транзисторы

широко используются в интегральных схемах (ИС) из-за их компактного размера и значительно более низкого энергопотребления. Кроме того, полевые транзисторы также используются в мощных коммутационных устройствах, в качестве резисторов с переменным напряжением (VVR) в операционных усилителях (ОУ), регуляторов тембра и т. Д. Для работы микшера на FM- и ТВ-приемниках и в логических схемах. .

Психический обзор

Полевой транзистор имеет четыре терминала с именами Источник, Сток, Затвор и Корпус.

1. Источник : Источник — это терминал, через который большинство носителей заряда вводятся в полевой транзистор.
2. Дренаж : Дренаж — это терминал, через который большинство носителей заряда выходят из полевого транзистора.
3. Затвор : Вывод затвора формируется путем диффузии полупроводника N-типа с полупроводником P-типа. Это создает сильно легированную область PN-перехода, которая контролирует поток носителя от истока к стоку.
4. Корпус : Это основа, на которой построен полевой транзистор.В дискретных приложениях он внутренне привязан к выводу источника, что позволяет полностью игнорировать его эффекты. Однако в интегральных схемах этот вывод обычно подключается к наиболее отрицательному источнику питания в схеме NMOS (наиболее положительному в схеме PMOS), поскольку он используется многими транзисторами. Тщательные соединения и конструкция имеют решающее значение для поддержания производительности полевого транзистора, когда задействовано соединение Body.

Канал : Это область, в которой большинство несущих проходят от терминала истока к терминалу стока.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы

подразделяются на полевые транзисторы (JFET) и полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

JFET (переходно-полевой транзистор)

Junction Field Effect Transistor (JFET) — это самый ранний тип полевых транзисторов. Ток протекает через активный канал между истоками и выводами стока. Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком полевого транзистора.При приложении напряжения обратного смещения к выводу затвора канал напрягается, поэтому электрический ток полностью отключается. Вот почему полевые транзисторы JFET называют «нормально включенными» устройствами. Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

N-канальный JFET

В N-канальном JFET канал легирован донорными примесями, что делает его полупроводником N-типа. Следовательно, ток через канал отрицателен в виде электронов.Отсюда и название N-канальный JFET. Две подложки P-типа, легированные с противоположных сторон от его средней части. Таким образом, два PN-перехода образованы этими сильно легированными областями P-типа и каналом N-типа между ними. Вывод затвора (G) подключается внутри к обоим клеммам P-типа, а выводы стока (D) и истока (S) подключаются к любому концу канала N-типа.

Как это работает?

Когда на вывод затвора не подается напряжение, канал становится широко открытым путем для прохождения электронов.Следовательно, максимальный ток течет от истока к выводу стока. Величина протекающего тока определяется разностью потенциалов между выводами истока и стока и внутренним сопротивлением канала.

Но происходит обратное, когда на вывод затвора подается отрицательное напряжение по отношению к выводу истока, что приводит к обратному смещению P-N перехода. В канале создается область истощения, которая сужает канал, увеличивая сопротивление канала между истоком и стоком, и ток становится меньше.

P-канальный JFET

Аналогичным образом, в JFET с P-каналом канал легирован акцепторными примесями, что делает его полупроводником P-типа. Следовательно, поток тока через канал является положительным в виде отверстий. Отсюда и название P-channel JFET. Противоположная сторона канала сильно легирована подложками N-типа. Как и в N-канальном JFET, вывод затвора формируется путем соединения областей N-типа с обеих сторон. Клеммы истока и стока взяты с двух других сторон канала.

Принцип работы также аналогичен N-канальному JFET. Единственное отличие состоит в том, что для его выключения необходимо обеспечить положительное напряжение затвора к источнику. Однако N-канальный JFET имеет более высокую проводимость по току из-за более низкого сопротивления канала, чем их эквивалентные типы P-каналов, поскольку электроны имеют более высокую подвижность через проводник по сравнению с дырками. Это делает N-канальный JFET более эффективным, чем их аналоги с P-каналом.

Характеристики

Здесь JFET смещен через источник постоянного тока, который будет управлять VGS JFET.Мы можем контролировать приложенное напряжение на клеммах стока и источника, изменяя VGS. Оттуда мы можем построить кривую ВАХ полевого транзистора.

Выходные характеристики JFET представлены между током стока (ID) и напряжением сток-исток (VDS) при постоянном напряжении затвор-исток (VGS), как показано на следующем рисунке.

• Область отсечки — это область, в которой JFET выключен, что означает отсутствие тока стока, ID течет от стока к истоку.
• Омическая область — В этой области JFET начинает показывать некоторое сопротивление току стока, ID, который начинает течь от стока к истоку. Ток, протекающий через полевой транзистор, линейно пропорционален приложенному напряжению.
• Область насыщения — Когда напряжение сток-исток достигает такого значения, что ток, протекающий через устройство, является постоянным с напряжением сток-исток и изменяется только с напряжением затвор-исток, устройство считается находящимся в состоянии насыщения. область.
• Область пробоя — Когда напряжение стока в исток, VDS превышает максимальное пороговое значение, что вызывает пробой области истощения, JFET теряет способность сопротивляться току, и ток стока увеличивается до бесконечности.

МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник)

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы, также известные как МОП-транзисторы, имеют большее значение и являются наиболее полезным типом среди всех транзисторов.МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку. MOSFET также является транзистором, управляемым напряжением, но основное различие между JFET и MOSFET заключается в том, что он имеет металлооксидный электрод затвора, который электрически изолирован от основного токоведущего канала между стоком и истоком очень тонким слоем. из изоляционного материала, обычно диоксида кремния, широко известного как стекло.

Трек образован с использованием двух сильно легированных зон N-типа, рассеянных в слаболегированной подложке P-типа.Эти две области N-типа известны как сток и исток, а область P-типа называется подложкой. Изоляция управляющего затвора делает входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно высоким по шкале мегаомов (МОм), тем самым делая его почти бесконечным. Таким образом, ток не может проходить через ворота.

Как это работает?

Основной принцип устройства MOSFET заключается в том, чтобы иметь возможность управлять напряжением и током между выводами истока и стока с помощью напряжения, приложенного к выводу затвора.Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока, может быть инвертирован из p-типа в n-тип путем приложения либо положительного, либо отрицательного напряжения затвора, соответственно. Когда мы прикладываем силу отталкивания к положительному напряжению затвора, то дырки, находящиеся под оксидным слоем, толкаются вниз вместе с подложкой. Область обеднения заполнена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Когда достигаются электроны, развивается канал.Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если вместо положительного напряжения приложить отрицательное напряжение, под слоем оксида образуется отверстие.

Типы полевых МОП-транзисторов

Широко используются два полевых МОП-транзистора:

1.Истощение MOSFET:

МОП-транзистор в режиме истощения аналогичен разомкнутому переключателю. В этом режиме для выключения устройства применяется напряжение затвора в источник (VGS). Когда напряжение затвора отрицательное, в канале накапливаются положительные заряды. Это вызывает область истощения в канале и предотвращает протекание тока. Таким образом, поскольку на протекание тока влияет формирование обедненной области, он называется истощенным MOSFET.

2.Расширение MOSFET:

МОП-транзистор расширенного режима аналогичен замкнутому переключателю. В этом режиме для включения устройства применяется напряжение затвор-исток (VGS). Когда отрицательное напряжение подается на вывод затвора полевого МОП-транзистора, отверстия, несущие положительный заряд, накапливаются рядом с оксидным слоем, образуя канал от истока к выводу стока. По мере того, как напряжение становится все более отрицательным, ширина канала увеличивается и ток увеличивается; поэтому он называется улучшенным MOSFET.

Кроме того, типы истощения и расширения подразделяются на N-канал и P-канал .

1.N-канальный полевой МОП-транзистор :

N-канальный полевой МОП-транзистор имеет канал N-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником N-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом P-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за электронов.А протекание тока контролируется напряжением на затворе.

2.P-канальный полевой МОП-транзистор:

Аналогично, P-канальный MOSFET имеет канал P-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником P-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом N-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за дыр. А протекание тока контролируется напряжением на затворе.

Характеристики

В целом, полевой МОП-транзистор работает в основном в трех регионах, а именно:

1. Область отсечки:
   В области отсечки полевой МОП-транзистор остается выключенным, поскольку в этой области нет тока.Здесь MOSFET ведет себя как разомкнутый переключатель и, таким образом, используется, когда они должны функционировать как электронные переключатели.
2. Омическая область:
   В омической или линейной области ток между стоком и истоком увеличивается с увеличением напряжения между стоком и истоком. Когда в этой области работают полевые МОП-транзисторы, их можно использовать в качестве усилителей.
3. Область насыщения:
   В этой области значение тока от стока к истоку остается постоянным без учета увеличения напряжения между стоком и истоком.Это происходит только один раз, когда напряжение на стоке к выводу истока увеличивается больше, чем напряжение отсечки. В этом случае устройство будет работать как замкнутый переключатель. Поэтому эта рабочая область используется всякий раз, когда требуются полевые МОП-транзисторы для выполнения операций переключения.

Приложения

МОП-транзистор

в качестве переключателя

Полевые МОП-транзисторы

используются во многих различных приложениях. Они широко известны своими коммутационными характеристиками. Как мы видели ранее, N-канальный MOSFET в режиме улучшения имеет очень высокое входное сопротивление и работает от положительного входного напряжения.Это позволяет нам переключать нагрузки с высоким током или высоким напряжением, используя сигнал относительно низкого логического уровня. В следующем примере мы будем использовать N-канальный МОП-транзистор в режиме улучшения для включения и выключения простой лампы.

Как видите, в этой схеме мы хотим переключить лампу на 12 В с помощью логического сигнала 5 В. Мы подключили положительную клемму лампы к источнику питания 12 В, а другой конец — к клемме стока полевого МОП-транзистора. Клемма источника подключена к GND. Сопротивление затвора к истоку (RGS) используется для предотвращения любого внешнего шума на выводе затвора.

Когда напряжение не подается, лампа остается выключенной. Если мы подадим положительное входное напряжение (VGS) на вывод затвора полевого МОП-транзистора, лампа включится и останется включенной до тех пор, пока мы не удалим входной сигнал или не подадим отрицательное входное напряжение. Затем лампа погаснет.

Усилитель MOSFET

MOSFET или eMOSFET в режиме расширения требует минимального напряжения затвор-исток, называемого пороговым напряжением (VTH), которое должно быть приложено к затвору, чтобы он начал протекать ток от стока к истоку (VDS).По мере увеличения прямого смещения затвора ток сток-исток (IDS) также будет увеличиваться, что делает eMOSFET идеальным для использования в схемах усилителя MOSFET.

Эта простая конфигурация усилителя MOSFET в режиме расширения с общим истоком использует одиночный источник питания на выводе стока для генерации необходимого напряжения затвора (VG) с использованием резистивного делителя на резисторах R1 и R2. Сеть резисторов создает необходимую схему смещения для работы в области насыщения. Нам также понадобятся резисторы стока и истока и емкости связи.Значения R1 и R2 обычно большие, чтобы увеличить входное сопротивление усилителя и уменьшить омические потери мощности. Конденсаторы связи C1 и C2 изолируют напряжение смещения постоянного тока от сигнала переменного тока, который необходимо усилить. На изображении выше небольшой сигнал переменного тока (VGS) подается на затвор полевого МОП-транзистора, что приводит к колебаниям тока стока, синхронному с приложенным входным переменным током.

Драйвер мотора H-моста

Н-мост — это конфигурация схемы, обычно используемая для управления скоростью и направлением щеточного двигателя постоянного тока.Как мы видели ранее, используя полевой МОП-транзистор, мы можем легко контролировать скорость двигателя. Но это работает только в одном направлении. Чтобы сделать его двунаправленным, нам нужно подключить 4 полевых МОП-транзистора таким образом, чтобы он мог одновременно переключать как верхнюю, так и низкую стороны.

При активации одной пары (диагонально противоположных) полевых МОП-транзисторов двигатель видит, что ток течет в одном направлении, а когда активируется другая пара, ток через двигатель меняет направление. Срабатывание как нижнего, так и верхнего полевых МОП-транзисторов (но никогда вместе) прерывает ток и останавливает двигатель.

Затворы полевого МОП-транзистора с N-каналом обычно подтягиваются понижающим резистором, а затворы полевого МОП-транзистора P-канала поднимаются высоко. Это приводит к тому, что полевые МОП-транзисторы с каналом P и N отключаются; следовательно, ток не может течь. Когда сигнал ШИМ подается на затворы полевого МОП-транзистора, полевые МОП-транзисторы с каналом N и P попеременно включаются и выключаются, контролируя мощность.

_____

Технология полевых транзисторов может использоваться в различных областях электроники, где биполярные транзисторы не подходят.Полевой транзистор имеет очень высокое входное сопротивление и является устройством, управляемым напряжением; они, возможно, являются наиболее широко используемым активным устройством. Поскольку они используются в КМОП и других технологиях интегральных схем, где потребляемая мощность является решающим фактором, полевые МОП-транзисторы обеспечивают работу с очень низким энергопотреблением. МОП-транзистор также можно использовать в качестве переключателя для управления большими нагрузками, такими как лампы или двигатели большой мощности. ШИМ-сигналы от внешнего источника, такого как микроконтроллер, используются для управления проводимостью транзистора. Соответственно, полевой МОП-транзистор включается или выключается, таким образом поддерживая яркость лампы или скорость двигателя.

Вы уже знакомы с электронными возможностями Fusion 360? Fusion 360 предлагает доступ к комплексным средствам проектирования электроники и печатных плат на одной платформе разработки продуктов в облаке. Попробуйте сами сегодня.

Полевые транзисторы

— обзор

9.1.1 Геометрическая масштабируемость

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

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

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

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

Lnew = L + XL

LLLN = Lnew − LLN

LLWN = Lnew − WLN

LWLLN − LWN = LLLN × WLWN

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

Leff = Lnew – 2.0 × dLIV

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Полупроводниковый прибор | электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники.(При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке 1 показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, обладают высокой проводимостью, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр.Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.

Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси определенного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков (, то есть в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов.Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Часть периодической таблицы элементов, относящихся к полупроводникам

период	столбец
	II	III	IV	V	VI
2		бор B	углерод C	азот N
3	магний мг	алюминий Al	кремний Si	фосфор P	сера S
4	цинк Zn	галлий Ga	германий Ge	мышьяк As	селен Se
5	кадмий Cd	индий В	олово Sn	сурьма Sb	теллур Те
6	ртуть Hg		свинец Pb

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства демонстрируют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO ₂ ), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими у кремния.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы — т.е. атомов расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление кристалла собственного кремния, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (, т.е. при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой дает , то есть электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дыру в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества носителей заряда (, т.е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) — , т.е. электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поле в один вольт на сантиметр — при подвижности дырок 500 см ² / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «дарится» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же на рисунке 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон «принимается» для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и в атоме бора создается положительно заряженная дырка. валентная полоса. Это полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

Будущее технологии сегнетоэлектрических полевых транзисторов

1.

Ма, Т. и Хан, Ж.-П. Почему до сих пор не удается найти энергонезависимый сегнетоэлектрический полевой транзистор с памятью? IEEE Electron Device Lett. 23 , 386–388 (2002).

Артикул Google ученый

2.

Mikolajick, T., Schroeder, U. & Slesazeck, S. Прошлое, настоящее и будущее сегнетоэлектрических воспоминаний. IEEE Trans. Электронные устройства 67 , 1434–1443 (2020).

Артикул Google ученый

3.

Sugibuchi, K., Kurogi, Y. & Endo, N. Сегнетоэлектрическое устройство памяти с полевым эффектом, использующее пленку Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ . J. Appl. Phys. 46 , 2877–2881 (1975). В этой работе был продемонстрирован один из первых сегнетоэлектрических полевых транзисторов с использованием сегнетоэлектрика на основе оксида перовскита.

Артикул Google ученый

4.

Скотт, Дж. Ф. Ferroelectric Memories Vol.3 (Springer, 2000).

5.

Böscke, T. et al. Фазовые переходы в сегнетоэлектрическом оксиде гафния, легированном кремнием. Заявл. Phys. Lett. 99 , 112904 (2011).

Артикул Google ученый

6.

Бёске Т., Мюллер Дж., Бройхаус Д., Шредер У. и Бёттгер У. Сегнетоэлектричество в оксиде гафния: КМОП-совместимые сегнетоэлектрические полевые транзисторы. В 2011 г. Электронные устройства Встреча 24.5.1–24.5.4 (IEEE, 2011). В данной работе был продемонстрирован сегнетоэлектрический полевой транзистор с сегнетоэлектриком на основе оксида гафния.

7.

Салахуддин, С., Ни, К. и Датта, С. Эра гипермасштабирования в электронике. Нат. Электрон. 1 , 442–450 (2018).

Артикул Google ученый

8.

Aly, M. M. S. et al. Энергоэффективные вычисления с большим объемом данных: N3XT 1,000x. Компьютер 48 , 24–33 (2015).

Google ученый

9.

Кешаварци, А. и ван ден Хук, В. Эдж-интеллект — на сложном пути к триллиону интеллектуальных подключенных устройств Интернета вещей. IEEE Des. Тест 36 , 41–64 (2019).

Артикул Google ученый

10.

Вонг, Дж. К. и Салахуддин, С. Транзисторы с отрицательной емкостью. Proc. IEEE 107 , 49–62 (2018).

Артикул Google ученый

11.

Дистелхорст, М., Дрождин, К. Стохастический резонанс и переключение доменов. Сегнетоэлектрики 291 , 217–224 (2003).

Артикул Google ученый

12.

Heron, J. et al. Детерминированное переключение ферромагнетизма при комнатной температуре с помощью электрического поля. Природа 516 , 370–373 (2014).

Артикул Google ученый

13.

Si, M. et al. Сегнетоэлектрический полупроводниковый полевой транзистор. Нат. Электрон. 2 , 580–586 (2019).

Артикул Google ученый

14.

Иевлев А. и др. Перемежаемость, квазипериодичность и хаос в переключении сегнетоэлектрических доменов, индуцированном зондом. Нат. Phys. 10 , 59–66 (2014).

Артикул Google ученый

15.

Мюллер, К. А., Буркард, Х. SrTiO ₃ : собственный квантовый параэлектрик ниже 4 К. Phys. Ред. B 19 , 3593 (1979).

Артикул Google ученый

16.

Jerry, M. et al. Аналоговый синапс на сегнетоэлектрических полевых транзисторах для ускорения обучения глубоких нейронных сетей.В 2017 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) , 6.2.1–6.1.4 (IEEE, 2017). Эта работа продемонстрировала многомодовый (5-битный) синапс весовой ячейки / аналоговый синапс на основе сегнетоэлектрического полевого транзистора для приложений ускорителей глубоких нейронных сетей с модуляцией проводимости × 4 и программными импульсами ~ 75 нс .

17.

Seo, M. et al. Первая демонстрация совместимого с логическим процессом синапса сегнетоэлектрических плавниковых транзисторов без стыков для нейроморфных приложений. IEEE Electron Device Lett. 39 , 1445–1448 (2018).

Артикул Google ученый

18.

Chung, W., Si, M. & Peide, DY Первая демонстрация полевого транзистора на основе Ge сегнетоэлектрической нанопроволоки в качестве синаптического устройства для онлайн-обучения в нейронной сети с высоким числом состояний проводимости и г _max / г _мин . В 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) , 15.2.1–15.2.4 (IEEE, 2018).

19.

Ni, K. et al. Многобитная весовая ячейка FeMFET, совместимая с логикой SoC, для нейроморфных приложений. В 2018 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) 13.2.1–13.2.4 (IEEE, 2018).

20.

Sun, X., Wang, P., Ni, K., Datta, S. & Yu, S. Использование гибридной точности для обучения и вывода: аналоговая синаптическая весовая ячейка на основе 2T-1FeFET. В 2018 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) 3.1.1–3.1.4 (IEEE, 2018).

21.

Li, X. et al. Обеспечение энергоэффективных энергонезависимых вычислений с полевым транзистором отрицательной емкости. IEEE Trans. Электронные устройства 64 , 3452–3458 (2017).

Артикул Google ученый

22.

Wang, Z. et al. Экспериментальная демонстрация сегнетоэлектрических нейронов с импульсами для неконтролируемой кластеризации. В 2018 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) 13.3.1–13.3.4 (IEEE, 2018). Эта работа экспериментально продемонстрировала концепцию генераторов на основе сегнетоэлектрического полевого транзистора и импульсных нейронов .

23.

Fang, Y. et al. Нейромиметическая динамика импульсного нейрона на основе сегнетоэлектрического полевого транзистора. IEEE Electron Device Lett. 40 , 1213–1216 (2019).

Артикул Google ученый

24.

Ван З., Ханделвал С. и Хан А. И. Сегнетоэлектрические генераторы и их связанные сети. IEEE Electron Device Lett. 38 , 1614–1617 (2017).

Артикул Google ученый

25.

Fang, Y. et al. Решатель оптимизации роя на основе нейронных сетей с сегнетоэлектрическими пиками. Перед. Neurosci. 13 , 855 (2019).

Артикул Google ученый

26.

О, С., Хван, Х. и Ю, И. Сегнетоэлектрические материалы для нейроморфных вычислений. APL Mater. 7 , 0

(2019).

Артикул Google ученый

27.

Гокмен, Т. и Власов, Ю. Ускорение обучения глубоких нейронных сетей с помощью резистивных устройств пересечения точек: соображения проектирования. Перед. Neurosci. 10 , 333 (2016).

Артикул Google ученый

28.

Ni, K. et al. Сегнетоэлектрическая троичная адресно-адресная память для однократного обучения. Нат. Электрон. 2 , 521–529 (2019).

Артикул Google ученый

29.

Tan, A. J. et al. Экспериментальная демонстрация сегнетоэлектрической ячейки памяти с адресацией по содержанию HfO ₂ . IEEE Electron Device Lett . (2019).

30.

Wang, Y. et al. Энергонезависимый процессор с временем пробуждения 3 мкс на основе сегнетоэлектрических триггеров. В 2012 Proc. ESSCIRC 149–152 (IEEE, 2012).

31.

Мулаосманович, Х., Миколаджик, Т. и Слезазек, С. Накопительная инверсия поляризации в наноразмерных сегнетоэлектрических транзисторах. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10 , 23997–24002 (2018). В этой работе продемонстрированы нетривиальные эффекты, связанные с переключением сегнетоэлектрической поляризации при масштабированных горизонтальных размерах, а именно метапластичность / накопление поляризации, однодоменное переключение и вероятностное переключение, в короткоканальных сегнетоэлектрических полевых транзисторах .

Артикул Google ученый

32.

Ni, K. et al. Вычислительный примитив в памяти для слияния данных датчиков по 28-нм технологии HKMG FeFET. В 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) , 16.1.1–16.1.4 (IEEE, 2018).

33.

Мулаосманович, Х., Миколаджик, Т. и Слезазек, С. Генерация случайных чисел на основе сегнетоэлектрического переключения. IEEE Electron Device Lett. 39 , 135–138 (2017).

Артикул Google ученый

34.

Luo, J. et al. Безконденсаторный стохастический нейрон с утечкой на FeFET возбуждающих и тормозных связей для SNN с уменьшенной стоимостью оборудования. В 2019 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) 6–4 (IEEE, 2019).

35.

Florent, K. et al. Вертикальный сегнетоэлектрик HfO ₂ FET на основе архитектуры 3-D NAND: к плотной памяти с низким энергопотреблением. В 2018 IEEE Int.Собрание электронных устройств (IEDM) 2.5.1–2.5.4 (IEEE, 2018).

36.

Тирумала, С. К. и Гупта, С. К. Реконфигурируемый сегнетоэлектрический транзистор — часть I: устройство и работа устройства. IEEE Trans. Электронные устройства 66 , 2771–2779 (2019).

Артикул Google ученый

37.

Тасним, Н. и Хан, А. И. О возможности динамической настройки и сжатия окна сегнетоэлектрического гистерезиса / памяти в асимметричном устройстве DG MOS: путь к реконфигурируемому устройству логической памяти.В 2018 76-я Конференция по исследованиям устройств (DRC) 1-2 (IEEE, 2018).

38.

Wang, Z. et al. Криогенная характеристика сегнетоэлектрического полевого транзистора. Заявл. Phys. Lett. 116 , 042902 (2020).

Артикул Google ученый

39.

Chen, K.-Y., Tsai, Y.-S. & Wu, Y.-H. Влияние ионизирующего излучения на характеристики памяти сегнетоэлектрических полевых транзисторов на основе HfO ₂ . IEEE Electron Device Lett. 40 , 1370–1373 (2019).

Артикул Google ученый

40.

Shum, D. et al. Демонстрация функциональности самовыравнивающейся ячейки NVM с разделенным затвором 1,1 В, встроенной в LP 40 нм CMOS для автомобильных приложений и смарт-карт. В 2015 IEEE Int. Семинар по памяти (IMW) https://doi.org/10.1109/IMW.2015.7150288 (IEEE, 2015).

41.

Канда, А.и другие. Встроенная флеш-система емкостью 24 МБ на основе 28-нм SG-MONOS. Обеспечивает операции чтения на частоте 240 МГц и надежное беспроводное обновление программного обеспечения для автомобильных приложений. IEEE Solid-State Circ. Lett. 2 , 273–276 (2019).

Артикул Google ученый

42.

Tsuda, S. et al. Первая демонстрация MonOS с разделенным затвором FinFET для высокоскоростной и высоконадежной встроенной флеш-памяти в узлах 16/14 нм и выше. В 2016 IEEE Int.Собрание электронных устройств (IEDM) , 11.1.1–11.1.4 (IEEE, 2016).

43.

Wei, L. et al. STT-MRAM на 7 Мбайт по технологии 22FFL FinFET с временем считывания 4 нс при 0,9 В с использованием схемы записи-проверки-записи и метода определения смещения-отмены. В 2019 IEEE Int. Конференция по твердотельным схемам (ISSCC) , 214–216 (IEEE, 2019).

44.

Lee, K. et al. Встроенная STT-MRAM высокой плотности 1 Гбит по 28-нм технологии FDSOI. В 2019 IEEE Int. Встреча по электронным устройствам (IEDM) 2.2.1–2.2.4 (IEEE, 2019).

45.

Jain, P. et al. Встроенный энергонезависимый макрос ReRAM 3,6 Мбит / с 10,1 Мбит / мм2 в 22-нм технологии FinFET с адаптивными схемами формирования / установки / сброса, обеспечивающий снижение напряжения до 0,5 В при времени срабатывания 5 нс при 0,7 В. В 2019 IEEE Int. Конференция по твердотельным схемам (ISSCC) 212–214 (IEEE, 2019).

46.

Wu, J. et al. Технология памяти с фазовым переходом, совместимая с 40-нм технологией памяти с низким энергопотреблением. В 2018 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) 27–6 (IEEE, 2018).

47.

Dünkel, S. et al. Основанная на FEFET сверхмаломощная сверхбыстрая встроенная технология NVM для 22-нм FDSOI и выше. В 2017 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) 19–7 (IEEE, 2017). В этой работе были продемонстрированы масштабированные сегнетоэлектрические полевые транзисторы на платформе полностью обедненного кремния на изоляторе (КНИ) в узле 22 нм.

48.

Trentzsch, M. et al. 28-нм технология HKMG со сверхнизким энергопотреблением, встроенная в энергонезависимую память на основе сегнетоэлектрических полевых транзисторов.В 2016 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) , 11–5 (IEEE, 2016).

49.

Лю, Х., Си, М., Шреста, П., Чунг, К. и Йе, П. Первое прямое измерение субнаносекундного переключения поляризации в сегнетоэлектрическом оксиде гафния-циркония. В 2019 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) 15–2 (IEEE, 2019).

50.

Wei, Y. et al. Магнитоионный контроль спиновой поляризации в мультиферроидных туннельных переходах. npj Quant. Матер. 4 , 1–6 (2019).

Артикул Google ученый

51.

Cheema, S. S. et al. Повышенное сегнетоэлектричество в ультратонких пленках, выращенных непосредственно на кремнии. Природа 580 , 478–482 (2020). Эта работа продемонстрировала масштабируемость толщины сегнетоэлектриков на основе оксида гафния .

Артикул Google ученый

52.

Lederer, M. et al. Локальное кристаллографическое обнаружение фазы и отображение текстуры в сегнетоэлектрических пленках HfO, легированных Zr ₂ , методом просвечивающей EBSD. Заявл. Phys. Lett. 115 , 222902 (2019).

Артикул Google ученый

53.

Гримли Э. Д., Шенк Т., Миколаджик Т., Шредер У. и Лебо Дж. М. Атомная структура доменных и межфазных границ в сегнетоэлектрике HfO ₂ . Adv. Матер. Интерф. 5 , 1701258 (2018).

Артикул Google ученый

54.

Ni, K., Chakraborty, W., Smith, J., Grisafe, B. & Datta, S. Фундаментальное понимание и контроль изменений от устройства к устройству в сегнетоэлектрических полевых элементах с большими масштабами. В симпозиуме 2019 г. по технологии СБИС , T40 – T41 (IEEE, 2019).

55.

Maekawa, K. et al. Воздействие однородно диспергированных нанокластеров алюминия путем внедрения монослоя Si в Hf _0.5 Zr _0,5 O ₂ пленка на массиве памяти FeFET с жестким распределением порогового напряжения. В 2019 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) 15–4 (IEEE, 2019).

56.

Migita, S., Morita, Y., Mizubayashi, W. & Ota, H. Приготовление эпитаксиальной пленки HfO ₂ (EOT = 0,5 нм) на подложке Si с использованием атомно-слойного осаждения аморфной пленки и быстрая термическая кристаллизация (RTC) при резком температурном градиенте. В 2010 г.Electron Devices Meeting , 11.5.1–11.5.4 (IEEE, 2010).

57.

Chatterjee, K. et al. Самовыравнивающееся запоминающее устройство с сегнетоэлектрическим затвором, последним затвором, FDSOI, с 5,5 нм Hf _0,8 Zr _0,2 O ₂ , высокая выносливость и восстановление после пробоя. IEEE Electron Device Lett. 38 , 1379–1382 (2017).

Артикул Google ученый

58.

Чау Р. Инновации в процессах и упаковке для продолжения закона Мура и за его пределами.В 2019 г. Electron Devices Meeting 1.1 (IEEE, 2019).

59.

Козодаев М.Г. и др. Снижение эффекта пробуждения и повышение износостойкости сегнетоэлектрических тонких пленок HfO ₂ -ZrO ₂ путем тщательного легирования La. J. Appl. Phys. 125 , 034101 (2019).

Артикул Google ученый

60.

Muller, J. et al. Стратегии повышения износостойкости сегнетоэлектрических полевых транзисторов на основе оксида гафния.В 2016 16-й симпозиум по технологии энергонезависимой памяти (NVMTS) https://doi.org/10.1109/NVMTS.2016.7781517 (IEEE, 2016).

61.

Ni, K. et al. Критическая роль прослойки в характеристиках энергонезависимой памяти сегнетоэлектрического полевого транзистора Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ . IEEE Trans. Электронные устройства 65 , 2461–2469 (2018). Эта работа дает представление об оптимизации конструкции стека затвора современного сегнетоэлектрического полевого транзистора для повышения надежности .

Артикул Google ученый

62.

Юрчук Э. и др. Причина снижения долговечности в новых энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройствах 1T на основе HfO ₂ . В 2014 IEEE Int. Симпозиум по физике надежности 2E.5.1–2E.5.5 (IEEE, 2014).

63.

Toprasertpong, K., Takenaka, M. & Takagi, S. Прямое наблюдение за поведением межфазного заряда в FeFET с помощью квазистатического расщепления CV и методов Холла: выявление работы FeFET.В 2019 IEEE Int. Собрание электронных устройств (IEDM) 23.7.1–23.7.4 (IEEE, 2019). В этой работе продемонстрирован метод расчета количества захваченных носителей на интерфейсах, которые экранируют сегнетоэлектрическую поляризацию в сегнетоэлектрическом полевом транзисторе .

64.

Tan, A. et al. Горячие электроны как основной источник деградации полевых транзисторов HZO толщиной менее 5 нм. В 2020 Симпозиум по технологии СБИС (IEEE, в печати).

65.

Ando, ​​T. Максимальное масштабирование диэлектриков затвора с высоким — κ : высокое — κ или очистка межфазного слоя? Материалы 5 , 478–500 (2012).

Артикул Google ученый

66.

Cheng, C.-H. & Чин, A. Память типа DRAM с низким током утечки, использующая однопотранзисторный сегнетоэлектрический полевой МОП-транзистор с высокочастотным диэлектриком затвора. IEEE Electron Device Lett. 35 , 138–140 (2013).

Артикул Google ученый

67.

Khanna, S. et al. Микроконтроллер SoC с энергонезависимой логикой на основе FRAM, обеспечивающий 100% сохранение цифрового состояния при VDD = 0 В, достижение нулевой утечки при времени пробуждения <400 нс для приложений ULP. IEEE J. Solid-State Circ. 49 , 95–106 (2013).

Артикул Google ученый

68.

Moise, T. et al. Демонстрация сегнетоэлектрической памяти высокой плотности емкостью 4 Мбайт, встроенной в логический процесс Cu / FSG с длиной волны 130 нм, 5 лм.В дайджесте Int. Electron Devices Meeting 535–538 (IEEE, 2002).

69.

Век сегнетоэлектричества. Нат. Mater . 19 , 129 (2020).

70.

Meterelliyoz, M. et al. Встроенная память DRAM 2-го поколения с 4-кратным снижением мощности самообновления благодаря 22-нм технологии Tri-Gate CMOS. В сборнике технических документов симпозиума 2014 г. по схемам СБИС https://doi.org/10.1109/VLSIC.2014.6858415 (IEEE, 2014).

71.

Lombardo, S. et al. Получение изображения переключения поляризации в (анти) сегнетоэлектрическом запоминающем материале в атомном масштабе: диоксид циркония (ZrO ₂ ). В 2020 Симпозиум по технологии СБИС (в печати). В данной работе изучалась эволюция микроструктуры при переключении поляризации в антисегнетоэлектрическом оксиде циркония с использованием in-situ просвечивающей электронной микроскопии .

5.1: Введение в полевые транзисторы (JFET)

Транзистор — это линейное полупроводниковое устройство, которое 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, в которых небольшой ток используется 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: полевом транзисторе с переходом . В следующей главе мы рассмотрим еще один тип полевых транзисторов — 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:

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 на то, 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:

Как правило, полевые транзисторы с N-каналом используются чаще, чем с P-каналом. Причины этого связаны с малоизвестными деталями теории полупроводников, которые я предпочел бы не 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.

В отсутствие напряжения между затвором и истоком канал представляет собой широко открытый путь для прохождения электронов. 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 достаточном усилии шланг сжимается настолько, что полностью перекрывает поток.

Обратите внимание на то, что это рабочее поведение прямо противоположно биполярному переходному транзистору. Биполярные транзисторы — это нормально выключенные устройства : нет тока через базу, нет тока через коллектор или эмиттер. С другой стороны, полевые транзисторы представляют собой обычные 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 биполярных транзисторов.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 будет «открываться» 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.

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 файлах cookie 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.

Графеновые полевые транзисторы для биологических и химических датчиков

Датчики

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

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

Производство GFET

GFET-транзисторы

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

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

Функционализация GFET

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

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

Применения в биосенсорах и химических датчиках

Исключительные электронные и тепловые свойства графена

и высокое отношение поверхности к объему делают его особенно подходящим для таких приложений, как биосенсоры, датчики газа ^13,14 , ^15,16 и высокопроизводительные транзисторы. ^17–19 Устройства на основе графена могут позволить использовать быстрые высокочувствительные датчики для диагностики в местах оказания медицинской помощи и обнаружения химических веществ и могут заменить другие высокозатратные, низкочувствительные и трудоемкие методы.

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

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

Выводы и перспективы на будущее

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