Полевые транзисторы и их применение

Рис. 6. Графическое обозначение полевого транзистора.

Принцип действия полевого транзистора состоит в следующем. При подаче на затвор запирающего напряжения между стоком и истоком создаётся продольное электрическое поле, которое обеспечивает движение основных носителей зарядов, создающих ток стока. Если напряжение на затворе равно нулю, p-n переходы закрыты, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным. Если приложить напряжение к затвору,  ширина p-n переходов возрастает, а ширина канала и ток стока уменьшаются. При достаточно большом напряжении на затворе ток стока может упасть до нуля, из-за увеличения ширины p-n переходов до их полного слияния. Это напряжение называется напряжением отсечки. По принципу действия полевой транзистор подобен вакуумному триоду. Это управляемый полупроводниковый прибор, в котором при изменении напряжение на затворе уменьшается ток стока и поэтому полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

1.4. Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Эти приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МДП - металл-диэлектрик-полупроводник или МОП - металл-окисел-полупроводник. МДП – транзисторы могут быть двух видов:

• Транзисторы с индуцированным каналом.

• Транзисторы со встроенным каналом.

В каждом из типов есть транзисторы с n –каналом и p-каналом. Схематичное обозначение:

Рис.7. Схематическое изображение транзисторов с индуцированным и встроенным каналом.

Характеристики и параметры полевых транзисторов.

1. Стокозатворная характеристика  – зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

Рис.8. Стокозатворная характеристика.

 

2. Стоковая характеристика –  зависимость зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе Ic = f (Uси) при Uзи = Const.

 

Рис.9. Стоковая характеристика.

 

Основные параметры:

1) Напряжение отсечки.

2) Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер  изменится ток стока при изменении  напряжения на затворе на 1В.

3) Внутреннее сопротивление (или  выходное) полевого транзистора.

4) Входное сопротивление.

На затвор подаётся только запирающее напряжение, поэтому ток затвора - это обратный ток закрытого p-n перехода, его величина весьма мала. Входное сопротивление, как уже упоминалось выше, Rвх может достигать нескольких ГОм.

 

1.5. МДП-транзисторы с индуцированным каналом

 

 

Рис. 8. Устройство полевого транзистора с индуцированным каналом.

Uз = 0; Ic1 = 0; Uз < 0; Ic2 = 0; Uз > 0; Ic3 > 0.

При Uз менее или равном 0, канал отсутствует, и ток стока равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, являясь неосновными носителями, подложки p-типа, уйдут на затвор, а дырки - вглубь подложки. В тонком слое под затвором концентрация электронов превысит концентрацию дырок, поэтому полупроводник поменяет тип проводимости. Таким образом, образуется индуцированный канал, и в цепи стока потечёт ток.

6.  МДП-транзисторы со встроенным каналом

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается наличием между стоком и истоком проводящего канала. Основой такого транзистора является кристалл кремния p- или n-типа проводимости.

Рис. 9. Устройство полевого транзистора со встроенным каналом.

 

Для транзистора с n-типом проводимости:

Uзи = 0; Ic1; Uзи > 0; Ic2 > Ic1; Uзи < 0; Ic3 < Ic1; Uзи << 0; Ic4 = 0.

При приложении электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов – ток стока. При подаче на затвор положительного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут инжектироваться в канал. При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны из канала будут уходить в подложку, канал обеднится носителями зарядов, и ток стока уменьшится. При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку, и ток стока станет равным нулю. Поэтому, МОП – транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения зарядов.

7.  МДП-структуры специального назначения

Кроме упомянутых выше  полевых транзисторов применяется ряд МОП-структур со специфичными свойствами. Они служат составной частью микросхем. На рис. 10 приведено устройство структуры типа металл - нитрид - оксид - полупроводник (МНОП). Диэлектрик под затвором выполнен двухслойным. Он состоит из тонкого слоя оксида SiO2 и толстого слоя нитрида Si3N4 (80 –100 нм) (рисунок 5.11, а–в). На границе этих двух слоев, а также в слое нитрида имеются «ловушки» электронов.

Рис. 10 − МНОП-структура в режимах записи (а) и стирания информации (б); вольтамперные стокозатворные характеристики при наличии (4) и отсутствии (5) записанного заряда (в);1 – алюминий; 2 – Si3N4; 3 – SiO2;

 

Поэтому при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28–30В) электроны из подложки туннелируют через тонкий слой SiO2 и захватываются «ловушками». Появляются неподвижные отрицательно заряженные ионы. Созданный ими заряд повышает пороговое напряжение, причем этот заряд может храниться в течение нескольких лет при отключении всех напряжений питания. На основе таких МНОП-структур выполняются запоминающие элементы.

Рис. 11 − МОП-структуры с плавающим затвором в режиме записи (а), в режиме стирания (б): 1 – плавающий затвор из поликристаллического кремния; 2 – диэлектрик SiO2

 

МОП-структуры с плавающим затвором и лавинной инжекцией (Рис.11) имеют затвор, который выполнен из кристаллического кремния и не имеет электрических связей с другими частями структуры.  В таких структурах также отрицательный заряд благодаря высоким изолирующим свойствам диэлектрика сохраняется на протяжении многих лет (уменьшается приблизительно на 25% за 10 лет). Величину заряда выбирают такой, чтобы он обеспечил появление электропроводного канала, соединяющего сток и исток. Для того чтобы транзистор стал неэлектропроводящим, необходимо убрать электрический заряд с «плавающего» затвора. Для этой цели область затвора подвергают воздействию ультрафиолетовым излучением (или ионизирующим излучением другого вида).

2. Схемы включения полевых транзисторов

 
 
Рис. 11 Схемы включения полевых транзисторов

Биполярный и полевой транзистор обычно рассматривают как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Тогда можно определить три схемы включения транзисторов: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы включения биполярных транзисторов. Наиболее часто реализуется  
схема с общим истоком (а), поскольку дает большее усиление по току и мощности. Схема с общим затвором (б) усиления по току почти не дает и имеет малое входное сопротивление. Поэтому такая схема на практике мало применяется. Схема с общим стоком (в) называется истоковым повторителем, ее коэффициент усилением составляет порядка единицы, такую схему используют чаще всего для развязки каскадов усиления, так как ее  входное сопротивление велико, а выходное мало.

3. Применение полевых транзисторов [3,4]

Полевые транзисторы нашли широкое применение в радиоэлектронике. МДП-транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (RBX> 1014 Ом, иногда до 1017 Ом). Параметры МДП-транзисторов меньше зависят от температуры, чем биполярных. Полевые транзисторы могут работать при низких температурах. Их параметры весьма стабильны во времени даже при негативных внешних воздействиях, включая радиацию, поэтому они могут быть использованы в бортовой аппаратуре космических аппаратов. Технология изготовления полевых транзисторов весьма проста, поэтому при их изготовлении процент брака существенно меньше, чем при изготовлении биполярных транзисторов. При изготовлении интегральных схем на основе полевых транзисторов можно добиться высокой плотности расположения элементов, значительно выше (примерно на порядок), чем для биполярных транзисторов. На основе МДП-транзисторов могут быть изготовлены резисторы для монолитных интегральных микросхем. Они также могут использоваться в логических схемах, их применяют в вычислительной технике.  При всех своих достоинствах полевые транзисторы обладают такими недостатками, как малый коэффициент усиления и меньший, чем у биполярных частотный диапазон, поэтому их используют в устройствах с частотами до нескольких мегагерц. Создание гибридных микросхем с улучшенными характеристиками возможно при совместном применении полевых и биполярных транзисторов. Полевые транзисторы применяют в схемах усилителей, генераторов, переключателей.

 

 

4. Перспективы развития

Светоизлучающий органический полевой транзистор [11].

Изобретение относится к области оптики, в частности к электролюминесцирующим наноструктурам, и может быть использовано при создании устройств для отображения алфавитно-цифровой и графической информации. Сущность изобретения состоит в том, что активный слой выполнен в виде органической матрицы с внедренными в нее двухкомпонентными (ядро-оболочка) полупроводниковыми наночастицами. Диаметр полупроводникового ядра наночастиц может изменяться в пределах 2.0-6.0 нм а толщина полупроводниковой оболочки может изменяться в пределах 1.0-3.0 нм для перестройки длины волны излучения в пределах 400-650 нм видимого спектра. Изобретение может быть использовано для создания светоизлучающих органических полевых транзисторов с высоким квантовым выходом люминесценции и регулируемым спектром излучения в видимом диапазоне длин волн, что важно для создания алфавитно-цифровых дисплеев нового поколения.

Создание графеновых транзисторов [12]. Исследователи из HRL Laboratories объявили о создании графеновых полевых транзисторов, в которых подвижность зарядов в 6 – 8 раз превышает возможности современных кремниевых технологий. Для кремния экспериментально измеренная подвижность зарядов в кремнии  составляет около 1400 квадратных сантиметров на вольт в секунду, для в графена подвижность может достигать 200 тысяч см2/В×с при комнатной температуре (правда, на практике пока был достигнут уровень лишь в 15 тысяч см2/В×с, что, более чем в 10 раз превосходит кремний). Исследователи из HRL Laboratories объявили о том, что им удалось создать устройства из единичного слоя графена на подложке из карбида кремния диаметром 2 дюйма. В транзисторах данного типа подвижность зарядов составляет порядка 6000 см2/В×с, что в 6 – 8 раз выше, чем у наиболее совершенной на сегодняшний день кремниевой технологии n-MOSFET.

22-нм технология FinFET от Intel.[13] Впервые были запущены в серийное производство транзисторы с трехмерной структурой. О начале производства объемной транзисторной структуры Tri-Gate компания Intel известила общественность еще в 2002 г. Однако кристаллы с такими транзисторами корпорация начала продавать только в апреле: новые процессоры Intel носят кодовое имя Ivy Bridge. Трехзатворные транзисторы имеют структуру, представленную на рис. 12.

Рис. 12. Схема трехзатворного транзистора с ребрами: : gate – затвор, oxide – оксид кремния, silicon substrate – кремниевая подложка.

В 3D-транзисторе Tri-Gate используются три затвора, расположенных вокруг кремниевого канала в объемной структуре, что обеспечивает уникальное сочетание производительности и очень малого потребления – преимуществ, востребованных как в смартфонах и планшетах, так и для мощных процессоров для ПК и серверов. Высокая эффективность новых транзисторов при низком напряжении питания позволяет создавать новые микроархитектуры на базе 22-нм процессоров Intel Atom. Здесь в полной мере используются возможности технологии 3D Tri-Gate, обеспечивающей очень малое потребление.

 

Заключение

Развитие полупроводниковых приборов происходит весьма быстрыми темпами. Разрабатываются  приборы для работы в области  высоких частот, мощностей и температур при минимизации их размеров. Особое внимание уделяется повышению надежности, стабильности  и долговечности работы  транзисторов в различных режимах и условиях эксплуатации.  Наиболее важным направлением развития электроники является миниатюризация  приборов. Это связано с тем, бурным развитием микроэлектроники и вычислительной техники с цифровой обработкой различной информации. В данной курсовой работе представлена история создания полевых транзисторов, рассмотрены физические процессы в полевых транзисторах, приведена их классификация, приведены основные их характеристики и режимы работы в различных схемах включения, рассмотрено применение полевых транзисторов, перспективы их развития. Данная курсовая работа может быть использована в учебном процессе при изучении основ и применения полевых транзисторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Джесси Рассел Полевой транзистор, VSD, 2012. - 80 стр.

2. Р. Куэй  Электроника на основе нитрида галлия/Пер.с англ./ под ред. д.ф.−м.н. А.Г. Васильева, М.: Техносфера, 2011. – 592с. 
3. Старосельский В.И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники: учебн. пособие, М.: Высшее образование, Юрайт- Издат.  2009.- 463 стр.