1. Історія створення польових транзисторів [ правити | правити код ]
2. Транзистори з керуючим pn-переходом [ правити | правити код ]
3. Транзистори з ізольованим затвором (МДП-транзистори) [ правити | правити код ]
4. МДП-транзистори з індукованим каналом [ правити | правити код ]
5. МДП-транзистори з вбудованим каналом [ правити | правити код ]
6. МДП-структури спеціального призначення [ правити | правити код ]
7. Схеми включення польових транзисторів [ правити | правити код ]
8. Області застосування польових транзисторів [ правити | правити код ]

open wikipedia design.

Польовий (уніполярний) транзистор - напівпровідниковий прилад, принцип дії якого заснований на управлінні електричним опором токопроводящего каналу поперечним електричним полем, створюваним прикладеним до затвору напругою.

Область, з якої носії заряду йдуть в канал, називається витоком, область, в яку вони входять з каналу, називається стоком, електрод, на який подається керуюча напруга, називається затвором.

Історія створення польових транзисторів [ правити | правити код ]

У 1953 році Дейка і Росс запропонували і реалізували конструкцію польового транзистора - з керуючим pn-переходом .

Вперше ідея регулювання потоку основних носіїв електричним полем в транзисторі з ізольованим затвором була запропонована Лилиенфельд в 1926-1928 роках. Однак труднощі в реалізації цієї ідеї на практиці дозволили створити перший працюючий прилад тільки в 1960 році. У 1966 році Карвер Мід (Англ.) Удосконалив цю конструкцію, шунтуватися електроди такого приладу діодом Шотткі .

У 1977 році Джеймс Маккаллахем з Bell Labs встановив, що використання польових транзисторів може істотно збільшити продуктивність існуючих обчислювальних систем.

Польові транзистори класифікують на прилади з керуючим pn-переходом і з ізольованим затвором, так звані МДП ( «метал-діелектрик-напівпровідник») - транзистори, які також називають МОП ( «Метал-оксид-напівпровідник») - транзисторами, причому останні поділяють на транзистори з вбудованим каналом і прилади з індукованим каналом.

До основних параметрів польових транзисторів зараховують: вхідний опір, внутрішній опір транзистора, також зване вихідним, крутизну стокозатворной характеристики, напруга відсічення і деякі інші.

Транзистори з керуючим pn-переходом [ правити | правити код ]

Польовий транзистор з керуючим pn-переходом [1] (JFET) - це польовий транзистор, в якому пластина з напівпровідника, наприклад p-типу (Рис. 1), має на протилежних кінцях електроди (витік і стік), за допомогою яких вона включена в керовану ланцюг. Керуюча ланцюг підключається до третього електроду (затвора) і утворюється областю з іншим типом провідності, в прикладі на малюнку - n-типом.

Джерело постійного зміщення, включений до вхідної ланцюг, створює на єдиному pn-перехід зворотне (що замикає) напруга. У вхідні ланцюг також включається і джерело підсилюється сигналу. При зміні вхідної напруги змінюється зворотна напруга на pn-переході, в зв'язку з чим змінюється товщина збідненого шару, тобто змінюється площа поперечного перерізу області в кріcталле, через яку проходить потік основних носіїв заряду. Ця область називається каналом.

Електроди польового транзистора називаються:

• джерело ( англ. source) - електрод, з якого в канал входять основні носії заряду;
• стік ( англ. drain) - електрод, через який з каналу йдуть основні носії заряду;
• затвор ( англ. gate) - електрод, що служить для регулювання поперечного перерізу каналу.

Тип напівпровідникової провідності каналу може бути як n-, так і p-типу. За типом провідності каналу розрізняють польові транзистори з n-каналом і р-каналом. Полярності напруг зсуву, що подаються на електроди транзисторів з n- і з p-каналом, протилежні.

Управління струмом і напругою на навантаженні, включеної послідовно до каналу польового транзистора і джерела живлення, здійснюється зміною вхідної напруги, внаслідок чого змінюється зворотна напруга на pn-переході, що веде до зміни товщини замикаючого (збідненого) шару. При деякому замикаючому напрузі V P {\ displaystyle V_ {P}} площа поперечного перерізу каналу стане рівною нулю і струм через канал транзистора стане дуже малим.

Так як зворотний струм pn-переходу досить малий, в статичному режимі або при низьких робочих частотах потужність, що відбирається від джерела сигналу мізерно мала. При високих частотах струм, що відбирається від джерела сигналу може бути значним і йде на перезаряд вхідний ємності транзистора.

Таким чином, польовий транзистор за принципом управління струмом аналогічний електровакуумної лампі - тріода , Але з вигляду сток-Істоковий вольтамперних характеристик близький до електровакуумний пентода . При такій аналогії витік в польовому транзисторі подібний катода вакуумного тріода, затвор - сітці, стік - анода. При цьому існують і відмінності, наприклад:

• в транзисторі відсутній катод, який вимагає підігріву;
• будь-яку з функцій витоку і стоку може виконувати будь-який з цих електродів;
• існують польові транзистори як з n-каналом, так і з p-каналом, що використовується при виробництві комплементарних пар транзисторів.

Від біполярного транзистора польовий транзистор відрізняється, по-перше, принципом дії: в біполярному транзисторі управління вихідним сигналом проводиться вхідним струмом, а в польовому транзисторі - вхідною напругою або електричним полем. По-друге, польові транзистори мають значно більші вхідні опору , Що пов'язано зі зворотним зміщенням pn-переходу затвора в розглянутому типі польових транзисторів. По-третє, польові транзистори володіють низьким рівнем шуму (Особливо на низьких частотах) в порівнянні з біполярними транзисторами, так як в польових транзисторах немає інжекції неосновних носіїв заряду і канал польового транзистора може бути виконаний всередині напівпровідникового кристала. Процеси рекомбінації носіїв в pn-переході і в базі біполярного транзистора , А також генераційно-рекомбінаційні процеси на поверхні кристала напівпровідника породжують низькочастотні шуми.

Транзистори з ізольованим затвором (МДП-транзистори) [ правити | правити код ]

Польовий транзистор з ізольованим затвором (MOSFET) - це польовий транзистор, затвор якого електрично ізольований від каналу шаром діелектрика .

У кристалі напівпровідника з відносно високим питомим опором, який називають підкладкою, створені дві сильно леговані області з протилежним щодо підкладки типом провідності. На ці області нанесені металеві електроди - витік і стік. Відстань між сильно легованими областями витоку і стоку може бути менше мікрона. Поверхня кристала напівпровідника між витоком і стоком покрита тонким шаром (близько 0,1 мкм) діелектрика . Так як вихідним напівпровідником для польових транзисторів зазвичай є кремній , То в якості діелектрика використовується шар діоксиду кремнію SiO2, вирощений на поверхні кристала кремнію шляхом високотемпературного окислення. На шар діелектрика нанесений металевий електрод - затвор. Виходить структура, що складається з металу, діелектрика і напівпровідника. Тому польові транзистори з ізольованим затвором часто називають МДП-транзисторами.

Вхідний опір МДП-транзисторів може досягає 1010 ... 1014 Ом (у польових транзисторів з керуючим pn-переходом 107 ... 109), що є перевагою при побудові високоточних пристроїв.

Існують два різновиди МДП-транзисторів: з індукованим каналом і з вбудованим каналом.

У МДП-транзисторах з індукованим каналом (рис. 2, а) проводить канал між сильнолегованих областями витоку і стоку відсутній і, отже, помітний струм стоку з'являється тільки при певній полярності і при певному значенні напруги на затворі щодо витоку, яке називають пороговим напругою ( UЗІпор).

У МДП-транзисторах з вбудованим каналом (рис. 2, б) у поверхні напівпровідника під затвором при нульовій напрузі на затворі щодо витоку існує область збіднення - канал, який з'єднує витік зі стоком.

Зображені на рис. 2 структури польових транзисторів з ізольованим затвором мають підкладку з електропровідністю n-типу. Тому сильнолегованих області під витоком і стоком, а також індукований і вбудований канал мають електропровідність p-типу. Якщо ж аналогічні транзистори створені на підкладці з електропровідністю p-типу, то канал у них буде мати електропровідність n-типу.

МДП-транзистори з індукованим каналом [ правити | правити код ]

При напрузі на затворі щодо витоку, що дорівнює нулю, і при подачі напруги на стік, - струм стоку виявляється мізерно малим. Він являє собою зворотний струм pn-переходу між підкладкою і сильнолегированной областю стоку. При негативному потенціалі на затворі (для структури, показаної на рис. 2, а) в результаті проникнення електричного поля через діелектричний шар в напівпровідник при малих напругах на затворі (менших UЗІпор) у поверхні напівпровідника під затвором виникає збіднений основними носіями шар ефект поля і область об'ємного заряду, що складається з іонізованих не компенсуються домішкових атомів. При напрузі на затворі, великих UЗІпор, у поверхні напівпровідника під затвором виникає область збіднення , Який і є каналом p-типу, що з'єднує джерело зі стоком. Товщина і поперечний переріз каналу будуть змінюватися зі зміною напруги на затворі, відповідно змінюватиметься струм стоку, тобто струм в ланцюзі навантаження і щодо потужного джерела живлення. Так відбувається управління струмом стоку в польовому транзисторі з ізольованим затвором і з індукованим каналом.

У зв'язку з тим, що затвор відділений від підкладки діелектричним шаром, струм в ланцюзі затвора нікчемно малий, мала і потужність, споживана від джерела сигналу в ланцюзі затвора і необхідна для управління відносно великим струмом стоку. Таким чином, МДП-транзистор з індукованим каналом може виробляти посилення електромагнітних коливань по напрузі і по потужності.

Принцип посилення потужності в МДП-транзисторах можна розглядати з точки зору передачі носіями заряду енергії постійного електричного поля (енергії джерела живлення в вихідний ланцюга) змінному електричному полю. У МДП-транзисторі до виникнення каналу майже всю напругу джерела живлення в ланцюзі стоку падало на полупроводнике між витоком і стоком, створюючи відносно велику постійну складову напруженості електричного поля. Під дією напруги на затворі в напівпровіднику під затвором виникає канал, по якому від витоку до стоку рухаються носії заряду - дірки . Дірки, рухаючись у напрямку постійної складової електричного поля, розганяються цим полем і їх енергія збільшується за рахунок енергії джерела живлення, в ланцюзі стоку. Одночасно з виникненням каналу і появою в ньому рухомих носіїв заряду зменшується напруга на стоці, тобто миттєве значення змінної складової електричного поля в каналі направлено протилежно постійної складової. Тому дірки гальмуються змінним електричним полем, віддаючи йому частину своєї енергії.

МДП-транзистори з вбудованим каналом [ правити | правити код ]

У зв'язку з наявністю вбудованого каналу в такому МДП-транзисторі (рис. 2, b), при подачі напруги на стік, струм стоку виявляється значним навіть при нульовій напрузі на затворі (рис. 3, b). Поперечний переріз і провідність каналу будуть змінюватися при зміні напруги на затворі як негативною, так і позитивною полярності. Таким чином, МДП-транзистор з вбудованим каналом може працювати в двох режимах: в режимі збагачення і в режимі збіднення каналу носіями заряду. Ця особливість МДП-транзисторів з вбудованим каналом відбивається і на зміщенні вихідних статичних характеристик при зміні напруги на затворі і його полярності (рис. 3).

Статичні характеристики передачі (рис. 3, b) виходять з точки на осі абсцис, що відповідає напрузі відсічення UЗІотс, тобто напрузі між затвором і витоком МДП-транзистора з вбудованим каналом, що працює в режимі збіднення, при якому струм стоку досягає заданого низького значення.

Формули розрахунку I c {\ displaystyle I_ {c}} в залежності від напруги Uзи

1. Транзистор закритий U 3 u <U n o p {\ displaystyle U_ {3u} <U_ {nop}}

I c = 0 {\ displaystyle I_ {c} = 0}

Граничне значення напруги МДП транзистора U n o p = 1.5 B {\ displaystyle U_ {nop} = 1.5B}

2. Параболічний ділянку. U 3 u> U n o p {\ displaystyle U_ {3u}> U_ {nop}}

I c = K n [(U 3 u - U nop) U cu - U cu 2 + 2] {\ displaystyle I_ {c} = K_ {n} [(U_ {3u} -U_ {nop}) U_ {cu} - {\ frac {U_ {cu} ^ {2}} {2}}]}

K n {\ displaystyle K_ {n}} питома крутість передавальної характеристики транзистора.

3. Подальше збільшення U 3 u {\ displaystyle U_ {3u}} призводить до переходу на пологий рівень.

I c = K n 2 [U 3 u - U nop] 2 {\ displaystyle I_ {c} = {\ frac {K_ {n}} {2}} [U_ {3u} -U_ {nop}] ^ {2 }} - Рівняння Ховстайна .

МДП-структури спеціального призначення [ правити | правити код ]

У структурах типу метал-нітрид-оксид-напівпровідник (МНОП) діелектрик під затвором виконується двошаровим: шар оксиду SiO2 і товстий шар нітриду Si3N4. Між шарами утворюються пастки електронів, які при подачі на затвор МНОП-структури позитивної напруги (28-30 В) захоплюють туннелируют через тонкий шар SiO2 електрони. Утворені негативно заряджені іони підвищують порогове напруга, причому їх заряд може зберігатися до декількох років при відсутності харчування, так як шар SiO2 запобігає витоку заряду. При подачі на затвор великої негативної напруги (28 ... 30 В), накопичений заряд розсмоктується, що істотно зменшує граничну напругу.

Структури типу метал-оксид-напівпровідник (МОП) з плаваючим затвором і лавинної інжекцією ( ЛІЗМОП ) Мають затвор, виконаний з полікристалічного кремнію, ізольований від інших частин структури. Лавинний пробій pn-переходу підкладки і стоку або витоку, на які подається висока напруга, дозволяє електронам проникнути через шар оксиду на затвор, внаслідок чого на ньому з'являється негативний заряд. Ізолюючі властивості діелектрика дозволяють зберігати цей заряд десятки років. Видалення електричного заряду з затвора здійснюється за допомогою іонізуючого ультрафіолетового опромінення кварцовими лампами, при цьому фотострум дозволяє електронам рекомбинировать з дірками.

Надалі були розроблені структури запам'ятовуючих польових транзисторів з подвійним затвором. Вбудований в діелектрик затвор використовується для зберігання заряду, що визначає стан приладу, а зовнішній (звичайний) затвор, керований різнополярними імпульсами для введення або видалення заряду на вбудованому (внутрішньому) затворі. Так з'явилися осередки, а потім і мікросхеми флеш-пам'яті, які отримали в наші дні велику популярність і склали помітну конкуренцію жорстких дисків в комп'ютерах.

Для реалізації надвеликих інтегральних схем (НВІС) були створені надмініатюрні польові мікротранзісторов. Вони робляться із застосуванням нанотехнологій з геометричним дозволом менше 100 нм. У таких приладів товщина подзатворного діелектрика доходить до декількох атомних шарів. Використовуються різні, в тому числі трехзатворние структури. Прилади працюють в Мікропотужні режимі. В сучасних мікропроцесорах корпорації Intel число приладів складає від десятків мільйонів до 2 мільярдів. Новітні польові мікротранзісторов виконуються на напруженому кремнії, мають металевий затвор і використовують новий запатентований матеріал для подзатворного діелектрика на основі сполук гафнію [2] .

В останні чверть століття бурхливий розвиток отримали потужні польові транзистори, в основному МДП-типу. Вони складаються з безлічі малопотужних структур або з структур з розгалуженою конфігурацією затвора. Такі ВЧ і СВЧ прилади вперше були створені в СРСР фахівцями НДІ «Пульсар» Бачуріним В. В. (кремнієві прилади) і Ваксембургом В. Я. (арсенід-галієві прилади) Дослідження їх імпульсних властивостей було виконано науковою школою проф. Дьяконова В. П. (Смоленський філія МЕІ). Це відкрило область розробки потужних ключових (імпульсних) польових транзисторів зі спеціальними структурами, що мають високі робочі напруги і струми (окремо до 500-1000 В і 50-100 А). Такі прилади нерідко керуються малими (до 5 В) напруженнями, мають малий опір у відкритому стані (до 0,01 Ом) у потужнострумових приладів, високу крутизну і малі (в одиниці-десятки нс) часи перемикання. У них відсутнє явище накопичення носіїв у структурі і явище насичення, властиве біполярним транзисторам. Завдяки цьому потужні польові транзистори успішно витісняють потужні біполярні транзистори в області силової електроніки малої і середньої потужності [3] [4] .

За кордоном в останні десятиліття стрімко розвивається технологія транзисторів на високорухливих електронах (ТВПЕ) , Які широко використовуються в НВЧ пристроях зв'язку і радионаблюдения. На основі ТВПЕ створюються як гібридні, так і монолітні мікрохвильові інтегральні схеми . В основі дії ТВПЕ лежить управління каналом за допомогою двовимірного електронного газу , Область якого створюється під контактом затвора завдяки застосуванню гетероперехода і дуже тонкого діелектричного шару - спейсера [5] .

Схеми включення польових транзисторів [ правити | правити код ]

Польовий транзистор в каскаді посилення сигналу можна включати по одній з трьох основних схем: із загальним витоком (ОІ), загальним стоком (ОС) і загальним затвором (ОЗ).

На практике в підсілюючіх каскадах найчастіше застосовується схема з ОІ, аналогічна схемі на біполярному транзісторі з Загальна емітером (ОО). Каскад Із загально виток дает велосипеді Посилення по потужності. Але, з іншого боку, цей каскад найбільш низькочастотний через шкідливого впливу ефекту Міллера і суттєвою вхідний ємності затвор-витік (СЗІ).

Схема з ОЗ аналогічна схемі із загальною базою (ПРО). У цій схемі струм стоку дорівнює току витоку, тому вона не дає посилення по току, і посилення по потужності в ній у багато разів менше, ніж в схемі ОІ. Каскад ОЗ має низький вхідний опір, в зв'язку з чим він має специфічне практичне застосування в підсилювальної техніці. Перевага такого включення - практично повне придушення ефекту Міллера, що дозволяє збільшити максимальну частоту посилення і такі каскади часто застосовуються при посиленні СВЧ .

Каскад з ОС аналогічний каскаду з загальним колектором (ОК) для біполярного транзистора - емітерний повторювачем . Такий каскад часто називають Істоковий повторителем. Коефіцієнт посилення по напрузі в цій схемі завжди трохи менше 1, а коефіцієнт посилення за проектною потужністю займає проміжне значення між ОЗ і ОІ. Перевага цього каскаду - дуже низька вхідна паразитна ємність і його часто використовують в якості буферного розділового каскаду між високоомним джерелом сигналу, наприклад, пьезодатчиком і наступними каскадами посилення. За широкосмуговим властивостям цей каскад також займає проміжне положення між ОЗ і ОІ.

Області застосування польових транзисторів [ правити | правити код ]

КМОП-структури , Що будуються з комплементарної пари польових транзисторів з каналами різного (p- і n-) типу, широко використовуються в цифрових і аналогових інтегральних схемах .

За рахунок того, що польові транзистори управляються полем (величиною напруги прикладеного до затвора), а не струмом, що протікає через базу (як в біполярних транзисторах), польові транзистори споживають значно менше енергії, що особливо актуально в схемах чекають і стежать пристроїв, а також в схемах малого споживання і енергозбереження (реалізація сплячих режимів).

Видатні приклади пристроїв, побудованих на польових транзисторах, - наручні електронний годинник и пульт дистанційного управління для телевізора. За рахунок застосування КМОП-структур ці пристрої можуть працювати до декількох років від одного мініатюрного джерела живлення - батарейки або акумулятора, тому що практично не споживають енергії.

В даний час польові транзистори знаходять все більш широке застосування в різних радиоустройствах, де з успіхом замінюють біполярні. Їх застосування в радіопередавальних пристроях дозволяє збільшити частоту несучого сигналу, забезпечуючи такі пристрої високої завадостійкістю. Володіючи низьким опором у відкритому стані, знаходять застосування в кінцевих каскадах підсилювачів потужності звукових частот високої потужності ( Hi-Fi ), Де з успіхом замінюють біполярні транзистори і електронні лампи. Біполярні транзистори з ізольованим затвором ( IGBT ) - прилади, що поєднують біполярні і польові транзистори, - знаходять застосування в пристроях великої потужності, наприклад в пристроях плавного пуску , Де успішно витісняють тиристори .

1. ↑ І. П. Жеребцов. Основи електроніки. Вид. 5-е. - Л., 1989. - С. 114.
2. ↑ Дьяконов, 2004 .
3. ↑ Бачурін, Ваксембург, Дьяконов та ін., 1994 .
4. ↑ Дьяконов, Максимчук, Ремнев, Смердов, 2002 .
5. ↑ Li, 2006 .

• Дьяконов В. П. Intel. Новітні інформаційні технології. Досягнення і люди. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 416 с. - ISBN 5980031499 .
• Бачурін В. В., Ваксембург В. Я., Дьяконов В. П. та ін. Схемотехніка пристроїв на потужних польових транзисторах: Довідник / Дьяконов В. П .. - М.: Радио и связь, 1994. - 280 с.
• Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Енциклопедія пристроїв на польових транзисторах / Дьяконов В. П .. - М.: СОЛОН-Р, 2002. - 512 с.
• Li, Sheng S. Semiconductor Physical Electronics. - Second Edition. - Springer, 2006. - 708 с. - ISBN 978-0-387-28893-2 .